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shRNA表达克隆

结构生物学研究成果有望将儿童杀手驱除出境

Nov 20, 2013 No Comments

这个狭小的“HIV”实验室终于没有白白忍受这么多年的拥挤,有了一点小成果。当年,这位愿意栖身在两层楼这个狭小空间里工作的博士后对另外一位高级科学家的研究工作产生了浓厚的兴趣,可这位高级科学家的研究方向是和他导师不同的另外一种病毒。但最终他们两还是开始了合作,而且做出了让众人炫目的成果,他们的研究成果有望帮助科研人员开发出人类急需的呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus, RSV)疫苗,我们都知道RSV病毒感染是导致婴幼儿死亡的最主要原因。

Jason McLellan和Barney Graham这两位博士后与来自美国马里兰州贝塞斯达美国国家变态反应及感染性疾病研究院疫苗研究中心(Vaccine Research Center at the U.S. National Institute of Allergy and Infectious Diseases in Bethesda, Maryland)的科研人员一起,借助结构生物学研究方法成功对一种免疫原(immunogen)进行了人工改造,而众所周知,免疫原就是疫苗开发工作中的关键和难点。至少在小鼠动物实验中已经证实,这种经过精心打造的RSV蛋白能够诱发非常明显的体液免疫反应,刺激动物产生大量抗体,其滴度已经比阻止病毒感染所需要的抗体浓度高出了40倍。

这一研究成果已经刊登在本周出版的《科学》(Science)杂志上,该成果也给我们指出了另外一条不同于传统疫苗开发思路(即在试验中不断纠错,直至试出一种有效免疫原)的新道路。该成果也让众多正在开发RSV疫苗的科研人员大为震惊。据José Melero介绍,RSV病毒感染会引发肺炎和多种下呼吸道疾病,每年全世界至少有300万婴幼儿因为RSV病毒感染而入院,其中至少有16万人死亡。Melero是西班牙马德里Salud Carlos三世研究所(Instituto de Salud Carlos III in Madrid)的一名病毒学家,他们实验室开展的RSV研究工作为美国疫苗研究中心的成功打下了坚实的基础,Melero也认为McLellan等人的工作是一项重大的胜利。

这项工作源于5年前的一次偶然事件。当时在美国疫苗研究中心工作的结构生物学家Peter Kwong在中心的四楼有一间HIV实验室,可是他们实验室实在是太过拥挤,他在实验室里再也找不出地方提供给他的博士后McLellan了。于是现在已经在美国达特茅斯学院(Dartmouth College)工作的McLellan只能在中心的2楼找了一个地方,这个地方恰好就在Graham实验室的旁边。Graham是一位专门研究RSV病毒的专家,他已经开展了30多年的RSV研究工作。于是他们两开始合作,从事RSV研究,这个最开始并不算太大的项目最后竟然一步步成长起来,并且有望解决RSV疫苗这个棘手的大难题。科研人员们已经从RSV病毒感染者体内分离出有效的中和抗体,但是一直没能找到合适的、能够刺激人体产生这种中和抗体的免疫原。结构生物学家能够指出一条明路吗?

RSV病毒编码一种表面蛋白,即F蛋白,该蛋白有助于病毒粘附到人体细胞上,促进病毒感染。易变的F蛋白有两种截然不同的形态,在粘附之前是一种形态,完成粘附之后又会变成另外一种形状。2011年,McLellan等人成功解析了粘附之后的F蛋白与中和抗体结合而成的复合物的结构,他们希望这些信息能够给RSV疫苗研发人员提供一点帮助。可Melero等人几乎就在同一时间发现,这种粘附后的F蛋白并不是保护抗体识别并结合的对象。他们将RSV病毒感染者血清中的抗粘附后F蛋白抗体吸附掉之后发现,处理过后的血清依旧具有中和病毒的能力。据Kwong介绍,这一点非常奇怪,但是也给他们提供了一个难得的机会。说明还存在另外一种免疫反应,而且这种免疫反应产生的抗体要比特异性针对粘附后F蛋白产生的抗体更管用。

今年春天,美国疫苗研究中心在5月31日出版的《科学》杂志第1113页发表了一篇文章,他们得到了RSV病毒中和抗体与粘附前F蛋白所形成复合物的晶体结构,这一发现为RSV疫苗研发人员找出了攻破RSV病毒的薄弱环节和突破口。但是这种粘附前的F蛋白极度不稳定,所以很难当做疫苗使用。于是中心的科研人员决定开发一种有效的固定技术,将这种粘附前F蛋白的结构固定住,方便进行持续的观察和研究。

他们在蛋白中引入了几个新的化学键,同时又替换掉了几个天然的氨基酸,用这种方法将所需要的、特定的F蛋白结构给固定住。他们一共构建了100多个粘附前F蛋白突变体,然后从中挑选出了几个比较容易制备、相对更稳定,而且能够诱发免疫保护反应的人工突变蛋白。“这是科学史上首次从抗体到疫苗的尝试,这次尝试也证明这种策略并不是白日做梦。” Kwong这样评价道。

 

Structural Biology Triumph Offers Hope Against a Childhood Killer

抗体(黑色)能够与RSV病毒F蛋白上的“薄弱位点”(白色)结合,使RSV病毒丧失感染力。

 

美国纳什维尔Vanderbilt大学医学中心(Vanderbilt University Medical Center in Nashville)的儿科医生James Crowe一直在研究人体因为RSV病毒和其它病毒所产生的B细胞免疫保护反应。这项免疫原改造工作就给他留下了极为深刻的印象,因为这是我们人类第一次有效地“驯服”了致病病原体蛋白。“从稳定蛋白质结构,增强其免疫原性的角度来说,这篇论文可谓是里程碑式的工作。” Crowe这样评价道。不过他也指出,我们要注意这种人工蛋白的安全性问题,公众尤其会担心婴幼儿试验的安全性问题,这可能会使研究工作复杂化。

早在上世纪60年代中期曾经进行过一次RSV疫苗临床试验,当时在2至7个月大的婴儿人群中试验了一种灭活的RSV疫苗,结果该疫苗反而加重了病情,提高了RSV病毒感染住院率,同时还导致了2名儿童死亡。我们今天的这种人工蛋白可能会避免这些问题,不过Graham表示他们并不打算在婴儿中做实验。他们计划对孕妇进行试验,看看能否借助母体产生保护性抗体,然后将抗体传递给胎儿,给最脆弱的新生儿提供免疫保护力。Graham希望美国疫苗研究中心或者其他的公司能够为他们提供一种“临床使用级的蛋白(clinical grade protein)”,确保在两年内开始临床试验。“有很多人和公司都对此表示了浓厚的兴趣。” Graham介绍说。

 

 

原文检索:
JON COHEN. (2013) Structural Biology Triumph Offers Hope Against a Childhood Killer. Science, 342:546-547.
YORK/编译

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