華人學者開辟艾滋病疫苗研究新思路｜前沿
艾滋病毒顆粒。圖片來源 scrapetv.com
編者按：
在過去的三十多年里，艾滋病已經(jīng)奪去全球超過3400萬人的生命。盡管目前我們已經(jīng)可以通過藥物延長艾滋病人的生命，但根治艾滋病仍遙遙無期，這與艾滋病毒極容易突變有關，抗艾藥物研發(fā)由此變得十分困難。最近，一組來自美國國立衛(wèi)生研究院的科學家，不僅找到了遏制艾滋病毒的全新靶點——融合肽，同時還設計出一種通過該靶點殺死艾滋病毒的疫苗VRC34.01，該疫苗有效性可達到50%。盡管通向終結艾滋病的路途漫長而又艱難，但我們其實離黎明時的曙光，已不再遙遠。有關艾滋研究，請參見此前的文章《治愈艾滋病還有希望嗎？》。
撰文 | 孔瑞（美國國立衛(wèi)生研究院博士后）
責編 | 葉水送
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自上世紀八十年代以來，艾滋病的流行已經(jīng)奪去超過3400萬人的生命。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計，2014年全世界有大約有3700萬艾滋病毒（HIV）攜帶者，大約200萬為新增感染者。艾滋病毒，亦稱為人類免疫缺陷病毒，為何它們如此可怕，以至于人人談“艾”色變。原因大約有二：一是病毒感染難以根治，一旦感染，終生折磨；二是缺乏有效的預防性疫苗?？茖W家們經(jīng)過多年的努力，成功發(fā)明了“雞尾酒”療法和一系列抗艾滋藥物，從而有效地幫助病人抑制體內病毒的復制。然而時至今日，根治和研發(fā)艾滋疫苗這兩個大問題，依然沒有得到很好的解決。
2016年5月12日，美國頂級學術雜志《科學》（Science）在線發(fā)表了美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的一項關于艾滋病毒的研究成果。研究者不僅發(fā)現(xiàn)了一種新型的中和抗體VRC34.01，同時還發(fā)現(xiàn)這種抗體在艾滋病毒膜蛋白上的識別位點，由于該位點極為特殊，研究者可以將其作為疫苗研究的新靶點。與此同時，研究者發(fā)現(xiàn)了這種抗體對病毒產生抑制作用的分子機制。該研究由美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）三位來自中國的博士后孔瑞、許凱以及周同慶共同完成，有望使人類在遏制艾滋病毒的道路上更進一步。
（清華大學醫(yī)學院教授張林琦、程峰談艾滋病防治，視頻時長2分55秒）
01 道高一尺，魔高一丈
面對艾滋病毒，大部分感染者的免疫系統(tǒng)無法徹底消滅它們，其中最主要的原因是，艾滋病毒是一個善變的家伙，在復制的過程中會產生變異。譬如，一個艾滋病毒的“毒一代”感染了人體細胞，在細胞中大量復制時，它們會造出成百上千個“毒二代”病毒，而這些“毒二代”病毒的膜蛋白長得都不太一樣。這對免疫系統(tǒng)來說，是個大麻煩。因為它在產生抗體、準備遏制“毒一代”病毒時，碰到了“毒二代”病毒，抗體可能會失去效力，難以辨識一些新病毒。成功逃離免疫細胞殺傷的“毒二代”病毒，很快就產生“毒三代”、“毒四代”的病毒。
當然免疫系統(tǒng)也會合成“抗二代”、“抗三代”的抗體。在很多艾滋病毒感染者體內，抗體和病毒是互相學習，一起成長的。這樣的結果就是，在一個未經(jīng)治療的感染者體內，擁有很多不一樣的艾滋病毒。而全世界三千多萬感染者，艾滋病毒千變萬化。要想研制出一個艾滋疫苗，誘導免疫系統(tǒng)來識別以及防御這些千變萬化的艾滋病毒，著實令研究者們頭痛不已。三十多年過去，最早一批開始研究艾滋病毒的科學家，已經(jīng)熬白了頭發(fā)，而艾滋病疫苗依然遙遙無期。
02 抗艾疫苗如何以不變應萬變
艾滋病毒雖然千變萬化，但是無論如何變化，它們都需要感染CD4 T淋巴細胞，其接觸和進入細胞的過程不易改變。艾滋病毒膜蛋白上的一些重要區(qū)域，尤其是負責進入細胞過程的一些功能區(qū)域難以改變。而這些區(qū)域，從理論上說，是疫苗研究針對的有效區(qū)域。從2009年開始，科學家們多年的努力終于有了突破，基于B細胞培養(yǎng)技術以及抗體分離技術的進步，一批能識別并且抑制不同艾滋病毒株的新型抗體被陸續(xù)分離出來。這些抗體能夠抑制30%到90%左右的艾滋病毒。
對這些抗體識別位點的研究， 促進了對病毒膜蛋白的理解，以及疫苗的設計。其中一個經(jīng)典的例子是單克隆抗體VRC01，它可以識別艾滋病毒膜蛋白和CD4受體結合的區(qū)域。這個區(qū)域在艾滋病毒功能上非常關鍵，是艾滋病毒膜蛋白上一個經(jīng)典的保守區(qū)域，雖然病毒用各種手段包括多糖分子組成的“糖盾”來保護這個區(qū)域，但抗體VRC01還是可通過選擇特定的抗體基因和高度的序列突變，以獨特的方式識別這個區(qū)域，從而抑制超過80%的艾滋病毒毒株 。
抗體VRC01的發(fā)現(xiàn)和研究，吸引了諸多研究小組以此為模版進行疫苗研究，他們試圖通過免疫誘導產生類似的抗體。類似于CD4受體結合區(qū)這樣的靶點，近幾年共發(fā)現(xiàn)四個。這些靶點各有優(yōu)勢，也各有所限。截至目前，雖然還沒有任何一項研究誘導出廣譜的中和抗體，但這個領域的科學家們，正在做出最大的努力。
VRC34.01 抗體 （綠色和黃色）和融合肽（紅色）的相互作用，灰色是艾滋病毒表面的膜蛋白。圖片來源NIAID
03 新抗體，新位點，新機制
《科學》雜志最近發(fā)表的這項研究顯示，研究者從一個艾滋病毒感染者的樣品里，分離出了一族新型中和抗體，其中含有最具代表性的單克隆抗體VRC34.01，大約可抑制50%的艾滋病毒毒株。通過蛋白質共結晶以及其它實驗方法，研究人員闡明了抗體VRC34.01針對艾滋病毒膜蛋白上的識別位點：一段由8個連續(xù)氨基酸組成的序列和一個糖分子。而這8個連續(xù)的氨基酸是艾滋病毒“融合肽”的一部分，且位于“融合肽”的氨基端。
“融合肽”是一段疏水的蛋白序列，由15至20個氨基酸組成，位于病毒膜蛋白gp41的氨基端。通常來說，艾滋病毒感染細胞有三個步驟：第一步，病毒膜蛋白結合細胞膜上的CD4受體，這種結合會導致膜蛋白變形，接著會啟動第二步，與細胞膜上的輔助受體（CCR5或者CXCR4）結合，而變形的最終結果是“圖窮匕見”，這里的“匕首”就是“融合肽”。由于“融合肽”具有的疏水特性，第三步啟動了，暴露出來的“融合肽”和細胞膜結合，進而啟動病毒和細胞的膜融合。所以“融合肽”就像病毒插入細胞膜的匕首，是一個關鍵的功能區(qū)域。
如此關鍵的區(qū)域，在病毒表面的膜蛋白上處于什么狀態(tài)呢？一直以來，研究人員們的推斷是，因為疏水性，“融合肽”被包裝在膜蛋白內部，被很好地保護起來。然而在此項研究中，科學家結合結構生物學和病毒學研究，從結構和功能兩方面一起證明，“融合肽”氨基端8個氨基酸可以被暴露，而且可被免疫系統(tǒng)產生的抗體“抓住”，這一抗體就是VRC34.01，其可以抑制50%的艾滋病毒?！犊茖W》雜志編輯在總結中說道：“這是一個出人意料的發(fā)現(xiàn)，因為病毒一向試圖遮護如此關鍵的部位以免受抗體的攻擊”。
這是科學界第一次發(fā)現(xiàn)針對艾滋病毒“融合肽”的抗體，也是第一次提出“融合肽”可能成為一個有希望的疫苗新靶點。過去的疫苗設計主要針對一些結構比較復雜的位點，以至于設計難度較大。而“融合肽”的結構要簡單很多，因此針對“融合肽”的疫苗設計從理論上分析可能相對容易。
研究人員還分析了病毒針對VRC34.01的逃逸機制，發(fā)現(xiàn)病毒主要通過這8個氨基酸序列的突變來逃避抗體VRC34.01的識別。然而，由于這一段序列在功能上的重要性，它的變化是有限的，也就是說，如果有一個或多個抗體識別這些有限的序列，理論上可以覆蓋更多的艾滋病毒毒株。
此外，研究者進一步研究了抗體VRC34.01對病毒的抑制機制。與抗體VRC01直接阻止膜蛋白和CD4受體的結合不同，抗體VRC34.01并不阻止CD4受體的結合，卻抑制了CD4受體結合后膜蛋白的變形。而這樣的變形，是進一步結合輔助受體和膜融合的必要條件。所以抗體VRC34.01用抗體重鏈和輕鏈一起抓住“融合肽”上的8個氨基酸和另外一個糖分子，將病毒膜蛋白鎖定在某個姿勢，進而抑制病毒感染細胞。
總體來說，這項研究的主要意義在于發(fā)現(xiàn)了艾滋病毒的一個新的弱點，為疫苗研究提供了一個新靶點，從而開辟了全新的思路。與其它靶點相比，“融合肽”靶點既有其優(yōu)勢，也有其劣勢。相信通過研究人員們的努力，我們會在不久的未來看到更多新的進展。通向艾滋疫苗的路途道阻且長，也許還不能一眼望見終點，但偶爾回首過去，其實我們已經(jīng)走得很遠。
