SARS-CoV-2刺突蛋白的免疫表位及通用疫苗开发的考量

文章编号：764 / 更新时间：2024-01-09 13:06:32 / 浏览：次

截至2023年7月1日，新冠肺炎已导致全球超过7.6亿病例和690万人死亡。作为一种单链尾属冠状病毒，SARS-CoV-2利用宿主机制进行复制。刺突蛋白是SARS-CoV-2感染的关键包膜糖蛋白，其组装成三聚体，分为两个亚基，S1和S2，它们之间包含弗林蛋白酶切割位点。S1亚基主要负责血管紧张素转换酶2（ACE2）的初始相互作用和结合，而S2亚基则实现膜融合。

S1亚基包含一个直接与ACE2结合的受体结合位点（RBD），以及一个N末端结构域（NTD），该结构域被认为是Spike主要的功能结构域。相反，S2结构域包含两个七肽重复区（HR1和HR2）以及融合肽结构域（FP）。FP在RBD介导的Spike-ACE2相互作用后立即发挥作用，将其自身插入宿主膜，引起剧烈的构象变化，使HR1和HR2结构域与细胞膜接近，导致膜融合和病毒内化。

刺突蛋白识别并结合宿主ACE2受体，通过内吞作用使病毒进入宿主细胞。进入后，病毒RNA逃离宿主内体，并利用细胞的翻译机制产生病毒蛋白，然后从宿主细胞组装和释放病毒颗粒。由于Spike蛋白依赖于宿主细胞的翻译机制，因此它会受到翻译后修饰（PTM）的影响，这可能会改变Spike介导的宿主病毒相互作用和宿主免疫反应。特别是糖基化，已被证明会影响各种生物分子与刺突蛋白的相互作用。

刺突蛋白作为疫苗设计和治疗的主要靶点一直受到科学界的关注。基于刺突蛋白的疫苗引发的宿主免疫细胞反应可大致分为三组：先天免疫反应，部分是toll样受体（TLRs）识别的结果；T细胞反应和B细胞反应。简言之，疫苗中的先天受体配体如TLR配体可以激活先天免疫细胞，特别是抗原呈递细胞（APC），其进一步启动CD4和CD8T细胞的激活。在活化的CD4T细胞中，滤泡辅助性T细胞（Tfh）有助于B细胞活化、浆细胞成熟和抗体产生，而1型辅助性T（Th1）细胞有助于增强APC功能、CD8T细胞活化和细胞毒性。疫苗引发的抗体通过中和病毒提供保护，而细胞毒性T淋巴细胞（CTL）消除受感染的宿主细胞以促进感染的清除。免疫亚群的特异性在很大程度上受到疫苗佐剂的影响，而疫苗引发的抗体和CTL的特异性主要由疫苗的抗原免疫表位决定。

刺突蛋白介导的宿主病毒相互作用是SARS-CoV-2进化的主要驱动因素。在新冠肺炎首次爆发后的三年时间里，SARS-CoV-2毒株的刺突蛋白积累了40多个突变。鉴于大多数疫苗都是专门针对刺突蛋白的，这可能在一定程度上解释了疫苗效力在相对较短的时间内急剧下降的原因。随着最近接种疫苗人群中突破性SARS-CoV-2感染病例的增加，很明显，需要开发对新出现的SARS-CoV-2变种有抵抗力的通用疫苗。

SARS-CoV-2刺突蛋白与Toll样受体的相互作用 SARSCoV2刺突蛋白的免疫表位及通用

TLRs指导先天免疫系统细胞的激活和定位，最终控制宿主对感染和疫苗接种的初始反应。基于结构的预测表明，多个Spike残基可能与TLR1、TLR4和TLR6相互作用。预测参与与TLRs直接相互作用的位点主要位于RBD侧翼的SpikeS1亚基，包括NTD和S1上RBDC末端的区域。

值得注意的是，该区域内所有残基在所有SARS-CoV-2变体之间的遗传变异程度非常低，表明TLR相互作用残基相对保守。因此，即使在出现新变种的情况下，疫苗引发的对这些区域的免疫反应也可能诱导交叉反应和持久的保护。这些区域与TLR相互作用，并有助于诱导APC增强的初始反应，这有助于提高疫苗效力。

尽管这种增强的初始反应通常有利于激发宿主对病毒的免疫力，但过度炎症与疫苗的不良反应以及严重的新冠肺炎有关。因此，除了潜在的益处外，这些TLR相互作用的基序还应考虑潜在的疫苗相关不良反应。将TLR激动剂作为佐剂纳入疫苗开发中一直是一种流行的策略，已经取得了许多成功。然而，了解疫苗抗原中内源性TLR的激动特性对于指导新发疾病的额外佐剂选择至关重要。虽然TLR激动剂的加入可能对大多数人群的疫苗效力有益，但它们也可能会引发由过度先天免疫反应介导的疫苗相关急性炎症。

SARS-CoV-2刺突蛋白的T细胞表位

作为适应性免疫反应的主要驱动因素，T细胞调节对SARS-CoV-2感染的体液和细胞免疫，并在维持长期免疫中发挥关键作用。研究表明，包括奥密克戎BA.5毒株在内的SARS-CoV-2变异毒株（VOCs）之间存在T细胞介导的免疫反应。这种交叉反应性T细胞免疫可能是早期新冠肺炎疫苗对这些新毒株产生抵抗的主要驱动因素，这表明T细胞免疫表位在通用疫苗开发中发挥着关键作用。

T细胞主要识别人类主要组织相容复合体（MHC）上存在的长度为8-15个氨基酸的短肽。T细胞表位的生物信息学分析显示，SARS-CoV-2的T细胞表位库相对较小。21种肽中有9种显示出较高的平均遗传变异水平，这表明T细胞相互作用可能有助于SARS-CoV-2的进化。这9个表位都属于NTD和RBD。

从结构上讲，RBD和NTD在SARS-CoV-2与宿主受体的相互作用中都至关重要。包括NTD和RBD在内的S1突变丰富，这可能是由于它们积极参与宿主-病毒相互作用，选择压力所导致的。相反，刺突S2亚基中的T细胞表位表现出相对较低的遗传变异率，这可能是因为S2结构域较少参与病毒和宿主受体/抗体之间的直接相互作用。鉴于相对较低的遗传变异性，落在S2区域内的TCR表位可能是通用疫苗开发的交叉反应性T细胞记忆反应的候选靶点。

SARS-CoV-2刺突蛋白的B细胞表位

B细胞在SARS-CoV-2感染引起的适应性免疫反应中发挥关键作用。B细胞具有产生细胞因子、分泌中和抗体和抗原呈递等功能。在新冠肺炎的背景下，已知B细胞的主要保护作用是分泌中和抗体以防止初始感染和病毒传播。

中和抗体的作用是结合SARS-CoV-2，主要是刺突蛋白，并通过空间阻断病毒颗粒与宿主受体的相互作用来阻止病毒颗粒进入细胞。抗Spike结合抗体的生物信息学分析显示，从人类血清中分离出4000多种具有不同抗原结合位点的抗体。虽然刺突蛋白的多个区域都能够引发抗体反应，但在中和试验中，这些抗体中似乎只有一小部分能够抑制SARS-CoV-2感染。中和抗体表位的鉴定，特别是广泛中和的抗体表位，将有助于未来治疗方法和通用疫苗的开发。

通过分析患者抗体识别的SARS-CoV-2刺突蛋白表位，发现似乎只有三个重复出现的区域与患者血清抗体结合并有效中和SARS-CoV-2，其中大多数发生在刺突蛋白的RBD之外。患者抗体识别的许多表位具有高溶剂可及度，并在RBD内经历高突变率。这一观察结果与SARS-CoV-2的RBD突变在抗体中和的免疫逃逸以及病毒进化中发挥作用的观点密切一致。

有趣的是，位于RBD外的Spike蛋白的中和表位似乎是保守的，尽管它们具有中等至高溶剂可及性。特别是，S2结构域中的表位显示出低遗传变异、高溶剂可及性，并且通常被患者的抗体识别，从而产生良好的中和作用。因此，这些表位可能是通用疫苗开发的有希望的靶点。

SARS-CoV-2刺突免疫表位的糖基化

糖基化是大多数生物体内最常见的翻译后修饰，包括O-糖基化和N-糖基化。糖基化可以通过与细胞凝集素的相互作用起到粘附分子的作用，这可能最终驱动修饰蛋白的运输和亚细胞定位。糖基化也可能掩盖表面分子的呈递，这可能改变各种病原体呈递的蛋白质和肽的抗原性。最后，糖基化可以通过影响蛋白质的局部构象及其热稳定性来显著改变蛋白质的结构呈现。

在宿主细胞中产生SARS-CoV-2蛋白的过程中，宿主分子机制也会对病毒蛋白产生糖基化，包括刺突蛋白。据预测，SARS-CoV-2刺突蛋白含有多达27个糖基化位点，主要是N-糖基化，其中大多数已得到证实。

对免疫相关位点内SARS-CoV-2刺突蛋白上发现的糖基进行比较表明，部分糖基化发生在免疫系统识别的几个位点。例如，N801糖基属于B细胞表位，N657可能与TLR4相互作用。此外，Spike蛋白中的大多数糖基化是高度保守的。

有趣的是，N801被证明是抗体识别的有效表位，该糖基位于融合肽内，并且也靠近S2结构域中中和抗体经常靶向的区域。一个重要的观察结果是，含有N801的免疫表位在所有VOC中都是非常保守的，这使其成为广泛中和和通用疫苗设计的一个有前途的候选表位。

除了N801之外，糖基化位点N61、N74、N149、N165、N343和N1074与已知参与TCR相互作用的区域重叠，而S673和N1158也属于已知在抗体结合时引发中和的区域。

刺突免疫表位在通用疫苗开发中的考量

分析表明，靠近N149、N165、N343、N801和N1158的区域具有免疫原性，并且相对保守。这些区域参与可以与TCRs或免疫球蛋白相互作用的免疫表位，并且具有低遗传变异，使其成为通用疫苗开发的有前景的抗原位点。

此外，这些区域受益于低遗传变异，这可能是由这些糖基化的结构和功能作用引起的。这种相对保护可能会降低未来SARS-CoV-2变异株逃避疫苗诱导免疫的可能性。此外，这种完全相同的糖基化也可能在宿主-病毒相互作用和针对这些位点的免疫反应中发挥重要作用。因此，重要的是进一步研究针对这些区域的疫苗中糖基化的影响。

在选择疫苗抗原时，必须考虑裸抗原的免疫原性及其翻译后修饰，因为它们会显著影响蛋白质与免疫系统的功能和相互作用。例如，最近的研究比较了仓鼠和小鼠免疫中去糖基化和完全糖基化的刺突蛋白，发现去糖基性刺突蛋白增强了保护性免疫。此外，去除RBD中或S2结构域中的糖基导致两个区域中更保守的表位暴露，引发广泛的保护性免疫。这些效应可能在一定程度上是由裸刺突蛋白中肽表位更好的可及性或改变的稳定性造成的。

对SARS-CoV-2刺突免疫表位的深入了解对于开发针对刺突蛋白的通用疫苗和广泛有效的疗法至关重要。我们清楚地知道，SARS-CoV-2仍将继续进化，需要新的疫苗来应对新出现的变种。这一需求要求我们开发对广泛的严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型SARS-CoV-2变种有效的新型疫苗。

疫苗引发的抗体反应对保护性免疫至关重要，但在接种疫苗后一年内会迅速减弱。抗原特异性T细胞虽不能阻断最初的感染，但对SARS-CoV-2刺突蛋白保守结构域特异性的T细胞会提供对逃避抗体中和变体的保护潜力。此外，一些新型疫苗佐剂的应用，能够增强这方面的作用。

因此，未来的疫苗设计应含有丰富的保守和免疫原性表位库，并排除自身抗原重叠表位，以避免疫苗诱导的不良反应。同时在一些疫苗佐剂的帮助下，能够提供增强的保护，彻底征服SARS-CoV-2变异给人类带来的困扰。

参考文献：

原文标题:SARS-CoV-2刺突蛋白的免疫表位及通用疫苗开发的考量

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