重大进展！Science 同期两篇论文揭示 HIV-1 广谱性中和抗体的产生机制

长期以来，研究者们致力于开发针对 HIV-1 的疫苗。然而，由于 HIV 具有类似于流感病毒的高变异特性，因此疫苗的开发往往无疾而终。

其中代表性的例子是 2009 年在泰国进行的 RV144 临床试验 ¹。在为期十几年的研究之后，科学家们发现 RV144 的保护效果仅仅是「暂时的」，而且保护效果也不会随着后期疫苗的补充接种而得到增强。

在此之后，研究者们将重点转移到了如何开发「诱导产生广谱性中和抗体」的疫苗。

所谓广谱性中和抗体，是指能够识别不同 HIV-1 突变株表面相对保守的区域，从而对各类突变株均产生有效免疫保护的抗体分子。如果能够实现，那么将很好地解决 HIV-1 的高变异性对疫苗设计带来的挑战 ²。

为了获得广谱性的抗 HIV-1 中和抗体，科学家们曾不断地进行尝试。

我们知道，B 细胞在受到抗原激活，到最终成熟能够分泌抗体分子之前，需要经历一系列的成熟与分化过程，在此过程中抗体分子也会通过不断「突变」而成熟。

此前的 HIV-1 疫苗设计思路中，研究者们首先通过免疫原分子刺激 bnAb 前体 B 细胞（germline）的分化，进一步通过合理的免疫原刺激试图诱导这部分前体 B 细胞的成熟。

然而问题在于很多广谱性中和抗体在前体阶段，其并不能够识别 HIV-1 膜蛋白的相关保守区域，也就是说，这些能够起到识别作用的关键氨基酸分子是在「突变」过程中产生的。

那么，我们就需要寻找合适的方法，对这些还未「显山漏水」的 germline -B 细胞进行定向选择与诱导。

针对这一问题，在最近一期 Science 杂志刊登的两篇文章中，来自美国加州 Scripps 研究所的 William R. Schief 博士与来自美国杜克大学的 Barton F. Haynes 博士则分别从「疫苗设计」以及「定向诱导 B 细胞成熟」角度给出了解决方案。

主要内容

1. 「诱导广谱性中和抗体产生的通用疫苗设计策略」

在题为《A generalized HIV vaccine design strategy for priming of broadly neutralizing antibody responses》的文章中，William R. Schief 博士团队认为，大多数 HIV-1 广谱性中和抗体都是通过其重链的互补决定区 3（complementarity-determining region，CDR3）与抗原分子识别的，但由于人体能够产生的 CDR3 序列种类及其多样化，因此针对某个具体的 CDR3 设计免疫原是不现实的。

相反地，如果找到一类属于HIV-1 广谱中和抗体的 germline 前体分子的共同特征（common feature），进而根据此特征设计免疫原，将能够有效诱导多种广谱中和抗体的分化与成熟 ³。

图片来源：Science

下图展示了作者的疫苗设计流程。

• 首先，需要对抗原 - 抗体结合的结构以及遗传学机理有充分的理解，明白对于抗体分子来说能够有效识别抗原的关键区域在哪里；

• 其次，需要在广泛的人群中收集抗体分子信息，并通过生物信息学的手段确定 HIV-1 广谱性中和抗体前体分子的构成以及序列特征；

• 之后，通过合理的策略，设计能够与这些前体分子均产生相互作用的免疫原分子；

• 最后，利用上述免疫原分子作为「诱饵」，定向筛选能够最终表达 bnAb 的前体 B 细胞库，并分别进行体外的结构验证以及体内的功能验证。

图片来源：Science

在第一步中，作者通过结构分析，发现广谱性中和抗体 BG18 的 CDR3 区域能够与 HIV-1 膜蛋白 V3-loop 区域的 Gly-Asp-Ile-Arg 基序结合；

此外，BG18 重链的 CDR1 区域也能够与 N332 糖基化修饰结合；轻链区则能够与面膜蛋白 V1-loop 交叉等等。

随后的突变以及结构分析验证了上述观察得到的结果。

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基于上述结构特征，作者在大规模的样本库（10 亿条序列）中通过比对筛选出了潜在的，能够最终分化产生类似 BG18 的广谱性中和抗体的前体分子或 B 细胞（最终得到了 28 种前体分子）。

之后，作者利用 7 个不同的 HIV 膜蛋白哺乳动物细胞展示库，对上述前体分子进行依次筛选。在每一轮的筛选中，作者会挑选其中亲和力最高的免疫原分子，进入下一轮。

对于早期的筛选，作者使用相对来说容易结合的抗体分子，例如 BL18iGL，而对于靠后的筛选，作者则会使用比较难以结合的抗体分子。

下图展示了作者对筛选得到的分子进行的结构验证。

其中，上图紫色与蓝色的结构是作者通过生物信息学手段筛选得到的 BG18 抗体的前体分子 ——BG18iGL0，而下方的灰色结构是通过文库筛选得到的潜在免疫原分子 ——N332-GT2。

可以看出，该免疫原与抗体前体分子的结合模式十分类似于 HIV-1 膜蛋白保守结构域与成熟抗体分子的结合模式，因此该结果表明了作者的疫苗设计思路的合理性。

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最后，为了验证该免疫原分子在诱导广谱性中和抗体 B 细胞成熟中的能力，作者给小鼠进行了体内接种实验。结果表明，N332-GT2 接种能够诱导大量广谱性中和抗体前体 B 细胞的产生。

下表列举了 N332-GT2 诱导产生的 I 型以及 II 型抗体前体分子，包括其结构以及 CDR3 序列特征。

此外，作者通过结构分析证明：这些抗体前体分子与免疫原的结合特征类似于 BG18 iGL 以及成熟化的抗体 BG18。

图片来源：Science

2. 针对「不可能突变」靶向诱导广谱中和抗体的成熟

在另外一篇题为《Targeted selection of HIV-specific antibody mutations by engineering B cell maturation》的文章中，来自杜克大学的 Barton F. Haynes 博士团队则专注于抗体成熟过程中「不可能突变（Improbable Mutation）」事件 ⁴。

图片来源：Science

一般来说，HIV-1 广泛中和抗体（bnAbs）需要高水平的「激活诱导胞苷脱氨酶（AID）」催化完成体细胞突变以及获得中和活性。

AID 活性高时，就会出现「可能突变（probable mutation）」事件，而在 AID 活性不高，或特定氨基酸的替代情况发生时，则会导致「不可能突变」的发生。

一些情况下「不可能突变」有助于广谱中和抗体的成熟，而数量的增加则会产生相反的效果。

图片来源：Science

由于目前的疫苗策略并未考虑到「不可能突变」这一事件，作者认为，可以通过筛选对产生「不可能突变」后的前体分子具有更高亲和力的免疫原分子，从而得到对广谱中和抗体发育其关键正面作用的「不可能突变」类型。

首先，作者在含有人源 bnAb 前体的转基因小鼠以及野生型猕猴中接种了特异性选择「不可能突变」的免疫原，诱导血清中 HIV-1 抗体的产生。

之后，作者设计了两个 HIV-1 膜蛋白免疫原，它们能够与 V3 - 糖基化或 CD4 结合位点特异性 bnAb 前体 B 细胞结合。

在体外实验中，一旦前体分子获得所需的「不可能突变」，这些免疫原就会与 bnAb 前体产生更牢固地结合。

在 bnAb 前体转基因小鼠中，作者分离出了一种单克隆抗体，该单克隆抗体带有功能性「不可能突变」，并且能够中和多个 HIV-1 毒株。

通过比较 bnAb 前体分子，bnAb 和疫苗接种后产生的抗体的结构，作者揭示了获得「不可能突变」在识别 HIV-1 膜蛋白中发挥的具体作用。

综上，两项研究分别通过系统且合理的疫苗设计策略，提供了能够产生广谱性中和抗体的新思路。

扩展阅读

除了上述研究之外，在如何诱导产生 HIV-1 广谱性中和抗体方面还有许多类似的研究。例如，Barton F. Haynes 博士团队最近发表在 Cell Host & Microbe 杂志上的一篇文章中，介绍了「不可能突变」对于 HIV-1 功能性广谱中和抗体的产生的重要性 ⁵。

图片来源：Cell Host & Microbe

在另外一篇同样发表在 Cell Host & Microbe 杂志上的文章中，来自 Sripps 研究所的 Ian. A. Wilson 博士团队则揭示了 HIV-1 融合肽的头像「可塑性」对于广谱性中和抗体的识别作用 ⁶。

图片来源：Cell Host & Microbe

小结

开发艾滋病毒疫苗仍然是一项艰巨的任务。

science 的两项研究分别在小鼠和猕猴等模式动物中证明了 HIV-1 膜蛋白免疫原经过合理设计，能将 bnAb 前体 B 细胞募集，并诱导其分化为能分泌有功能抗体的成熟 B 细胞。

未来的研究仍然需要考虑许多问题，包括针对哪些 bnAb 类群设计疫苗分子，寻找能够产生 B 细胞记忆和长寿浆细胞的能力的新型免疫原，以及更好地鉴定 BnAb 谱系，以达到引起广谱中和活性的效果等等。

要想达到这些目标，我们需要对疫苗中免疫原的呈递方式以及疫苗接种的时机和模式进行更仔细的探索。

最后，考虑到许多 HIV bnAb 会同时与自身抗原发生交叉反应，针对自体免疫等副作用开展评价也是十分重要的环节。

参考文献

1. Supachai Rerks-Ngarm et al. Randomized, Double-Blind Evaluation of Late Boost Strategies for HIV-Uninfected Vaccine Recipients in the RV144 HIV Vaccine Efficacy Trial . J Infect Dis. 2017 Apr 15; 215(8): 1255–1263.

2. The Rise of Broadly Neutralizing Antibodies . Global Advocacy for HIV Prevention.

3. Jon M. Steichen et al. A generalized HIV vaccine design strategy for priming of broadly neutralizing antibody responses. Science. 2019, 366 (6470): 4380-4392

4. Kevin O. Saunders et al. Targeted selection of HIV-specific antibody mutations by engineering B cell maturation. Science. 2019, 366 (6470): 7199-7207

5. Kevin Wiehe et al. Functional Relevance of Improbable Antibody Mutations for HIV Broadly Neutralizing Antibody Development . Cell Host Microbe. 2018. 23(6): 759–765.

6. Yuan M et al. Conformational Plasticity in the HIV-1 Fusion Peptide Facilitates Recognition by Broadly Neutralizing Antibodies. Cell Host Microbe. 2019 25(6):873-883.