Science | HIV疫苗设计的新思路：两步诱导广谱中和抗体|hiv|免疫|基序|广谱|抗体|疫苗设计

撰文丨珊今

HIV疫苗研发数年来始终面临一个核心难题：如何在体内诱导能够广泛中和不同病毒株的抗体。尽管已有研究表明，外源给予广谱中和抗体（Broadly neutralizing antibody,bNAbs）可以在动物模型中提供保护，并在人体中降低感染风险，但疫苗诱导这类抗体的路径仍不清晰【1, 2】。一个关键障碍来自HIV包膜蛋白（Envelope，Env）表面密集的糖基屏障，它掩盖了病毒的免疫易损位点，使免疫系统难以有效识别。如何绕过这一屏障、精准引导免疫反应，成为当前疫苗设计的核心问题。

在众多bNAb靶点中，gp120上的V3糖基补丁被认为是较具潜力的一类。该表位由N332和N301糖基以及V3环基部的GDIR基序共同构成，是多种强效中和抗体的共同识别区域【3, 4】。与一些依赖特定免疫球蛋白基因使用的抗体类别相比，针对V3糖基的抗体在遗传来源和结构上更加多样，且通常只需相对有限的体细胞突变即可获得功能【5】。因此，如果能够在动物模型中稳定诱导这类抗体，将为疫苗设计提供更具可行性的路径参考。

近日，宾夕法尼亚大学等机构合作在Science发表题为Induction of broadly neutralizing HIV antibodies by a two-step mechanism informs vaccine design的研究，提出了一种“两步诱导”机制，为在体内生成针对V3糖基表位的bNAbs提供了新的思路，也为HIV疫苗的序贯免疫策略提供了重要线索。

1. SHIV.5MUT在恒河猴中较高比例诱导V3糖基bNAb

研究人员设置了4组恒河猴，前两组先接受RC1和11MUTB免疫原，形式分别为蛋白纳米颗粒和编码膜锚定Env三聚体的mRNA-LNP，随后感染SHIV.5MUT。第三组未免疫但直接感染SHIV.5MUT，第四组感染野生型SHIV.BG505.N332作为对照。SHIV.5MUT与BG505.N332只在V1环4个位点不同，这些改变原本用于提高对PGT121类V3糖基抗体前体的结合。结果显示，22只纳入分析的SHIV.5MUT感染恒河猴中，有14只在48周内出现bNAb反应，定义为能中和8种异源病毒中的至少3种。其中8只能够中和至少6种病毒，血浆ID50滴度常超过1:1000。相同时间内，14只SHIV.BG505.N332感染对照动物中没有观察到类似的血浆广谱中和反应。进一步定位显示，这些反应均指向V3糖基表位，这些结果说明SHIV.5MUT在恒河猴中能以较高比例诱导V3糖基bNAb。

2. 多谱系V3糖基抗体的产生提示其前体来源广泛

接下来研究人员从8只血浆广谱性较强的动物中分选异源Env结合IgG阳性B细胞，表达238个单克隆抗体，代表106个谱系，最终获得12条V3糖基bNAb谱系。利用包含主要HIV-1亚型的130株病毒面板检测后，这些抗体的中和广度为6%至68%。多数抗体依赖N332糖基，但AM12-352及其骨髓浆细胞来源亲缘抗体AM12-BM5更依赖N301糖基，而N301在不同HIV-1亚型中更保守。结构分析显示，这些恒河猴bNAb并没有收敛到单一构象。它们使用多种VH3和VH4基因片段，CDRH3长度为14至25个氨基酸，平均VH体细胞突变约8.4%。冷冻电镜结构显示，它们从多个角度接近V3糖基表位，但关键相互作用与人源抗体相似，例如通过重链酪氨酸识别GDIR基序和N332糖基。这提示，SHIV.5MUT诱导出的抗体并非某一条特殊谱系的偶然产物，而是多种免疫遗传路径共同指向同一类病毒免疫易损位点。

3. 两步机制：V1抗体驱动逃逸突变并间接暴露V3糖基表位

基于此，这项研究提出了一个两步机制。SHIV.5MUT感染早期首先诱导指向V1环的抗体。由于5MUT中的N136P改变降低了N133位点糖基占有率，V1区域更容易被抗体识别。随后病毒为逃逸这一压力，在V1环发生P136S、del4、del8等突变，其中del4和del8会缩短V1环，并使下方的V3糖基表位更容易暴露。冷冻电镜分析显示，del4和del8相较BG505和5MUT具有更小的V1遮挡面积，GDIR基序可及性更高。

功能实验也支持这一模型。带有短V1环和糖基缺失的del3、del4、del8免疫原，在细胞表面表达后能够结合多种恒河猴和人源V3糖基bNAb未突变共同祖先，而完整糖基化V1环的BG505.N332和5MUT.P136S基本不能结合这些前体。也就是说，SHIV.5MUT更可能是先诱发V1抗体，再通过病毒逃逸产生短V1环Env变体，随后启动V3糖基bNAb谱系。

图1. SHIV.5MUT先诱导V1抗体反应，再通过V1环缩短暴露V3糖基表位的两步机制示意图

进一步的Env与抗体共进化分析显示，V3糖基表位附近以及V1高变区的一组关键突变，在时间上与中和广度的获得相伴出现。基于这一观察，研究人员提出了一种序贯免疫设计策略：首先使用del4或del8类短V1环免疫原，直接激活多样化的V3糖基抗体前体；随后通过引入关键位点变化的自源Env，促进抗体谱系的进一步成熟；最后利用包含天然异源Env多样性的抗原组合，扩展中和广度。

综上所述，这项研究在外群体灵长类模型中系统描绘了V3糖基bNAb的产生过程，将病毒逃逸与抗体成熟之间的动态关系具体化。结果显示，早期针对V1环的抗体反应可以通过选择压力间接促进V3表位的暴露，从而为后续广谱中和抗体的产生创造条件。

基于这一认识，研究提出的序贯免疫策略不再局限于直接靶向目标表位，而是通过调控抗原结构变化，引导免疫反应逐步演进。这为HIV疫苗设计提供了更具可操作性的思路，也为应对高度变异病毒的免疫干预策略提供了参考。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6396

制版人：十一

参考文献

1.Satoh A, Brace CS, Rensing N, et al. Sirt1 extends life span and delays aging in mice through the regulation of Nk2 homeobox 1 in the DMH and LH.Cell Metab2013; 18(3): 416-30.

2.Corey L, Gilbert PB, Juraska M, et al. Two randomized trials of neutralizing antibodies to prevent HIV-1 acquisition.New England Journal of Medicine2021; 384(11): 1003-14.

3.Kong L, Lee JH, Doores KJ, et al. Supersite of immune vulnerability on the glycosylated face of HIV-1 envelope glycoprotein gp120.Nat Struct Mol Biol2013; 20(7): 796-803.

4.Sok D, Pauthner M, Briney B, et al. A prominent site of antibody vulnerability on HIV envelope incorporates a motif associated with CCR5 binding and its camouflaging glycans.Immunity2016; 45(1): 31-45.

5.Haynes BF, Wiehe K, Borrow P, et al. Strategies for HIV-1 vaccines that induce broadly neutralizing antibodies.Nature Reviews Immunology2023; 23(3): 142-58.

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（*排名不分先后）