表位疫苗的研究进展_石晓妮

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():中国兽医科学 2011,4104422426-

ChineseVeterinarScience y 

()中图分类号:S852.43 文献标志码:A 文章编号:16734696201104042205 ---

表位疫苗的研究进展

,石晓妮1,窦永喜1,才学鹏1*

(中国农业科学院兰州兽医研究所家畜疫病病原生物学国家重点实验室,甘肃兰州 71.30046;

)甘肃农业大学动物医学院,甘肃兰州 72.30070

抗原表位的预测及构建表位疫苗的基本思路和方法,介绍了  摘要:综述了表位疫苗的免疫学理论基础、

目前国内外已经研制成功的几种病原表位疫苗,为深入研制其他病原微生物的表位疫苗提供借鉴。

关键词:抗原表位;表位疫苗B细胞表位;T细胞表位;

Advanceineitoevaccines   pp

1211

,SHIXiaoniDOU YonxiCAIXueen - ,-  -pgg

(/1.State KeLaboratoroVeterinarEtioloicalBioloLanzhou VeterinarResearchInstitute,ChineseAcadem   y yf y ggyy y 

AriculturalSciences,Lanzhou730046,China;2.ColleeoVeterinarMedicine,Gansu Ariculturalo  ggf y gf 

UniversitLanzhou730070,China)y,

:bstractThisarticlereviewsthebasicimmunemechanismsofeitoevaccinesandthemethodson  A             pphowtoredictantieniceitoesanddesineitoevaccines.Someexamlesofsuccessfuleitoevaccines             pgppgppppp

included.Fromthem,researchersmabeabletosomeusefulinformationandheltodevelonewwereet            yppg   eitoevaccine. pp

:;;;KewordsantieniceitoeBcelleitoeTcelleitoeeitoevaccine      gppppppppy 英国人E8世纪末期,dwardJenner首先用牛  1 

痘材料接种天花病人来预防天花并获得了成功,牛

1]

。从痘疫苗就成了人类历史上第一个生物制品[

可有效应对病原微生物的变异和免疫反特的优势,

应中的诸多不利因素。近几年来,随着生物技术、计算机技术的迅速发展,抗原表位的研究方法日趋完善和成熟,人们可精确地确定具有免疫功能的氨基酸序列,模拟、筛选、优化抗原表位,这不仅极大地促进了表位疫苗的研究,同时也促进了基于抗原表位诊断试剂盒的研究开发。

此,人们开始运用疫苗来预防或治疗多种传染性疾病。传统疫苗是通过物理的或化学的方法将病原微生物灭活或使其毒力减弱,或从自然界直接分离得到天然致病力弱的微生物制备而成,即所谓的第一代疫苗。随着分子生物学研究的进展,第二代疫苗即分子水平的疫苗研制成功,随后第三代疫苗即核酸疫苗问世。虽然这三代疫苗尤其是第一代疫苗对但它们存在一定的生物传染病预防控制作用巨大,

危害性和遗传变异稳定性等方面的问题。早在20世纪8多表位疫苗就因为其安全性和特异性0年代,高,易于生产、储藏和使用被认为是一种未来的终极

2]

。与传统疫苗相比,人工合成疫苗[表位疫苗有很

1 细胞抗原表位研究

1.1 抗原表位

是具有刺激机体产生  抗原表位即抗原决定簇,

抗体或致敏淋巴细胞并能够被其识别的特定结构部位。严格来说,抗体的特异性是针对表位的而不是

3]

。在特异性免疫应答中,针对完整的抗原分子的[

抗原经抗原递呈细胞处理后,向细胞表面抗原受体递呈一段线性抗原片段,一般只占5~7个氨基酸残基大小,最多不超过20个氨基酸残基。抗原表位包

多优势:能被具有多种遗传背景的MHC分子识别、

结合,从而得到高效的递呈;在细胞免疫方面具有独

;修回日期:收稿日期:2010111920110106----

);)基金项目:农业公益性行业科研专项(现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目(200803018CARS40-,:作者简介:石晓妮(女,甘肃庄浪人,硕士生。*通讯作者,1985-)E-mailcaixi.163.com@vpp

第4期              表位疫苗的研究进展  石晓妮等:

423

),括B细胞表位和T细胞表位(前者Tcelleitoe  pp诱导机体产生体液免疫反应,后者则诱发CTL效应。从空间结构上看,B细胞表位可分为连续性的线性表位和不连续性的空间构象性表位。线性表位由肽链上顺序连续的氨基酸组成;构象性表位由那些在空间结构上接近,但顺序上不连续的氨基酸组成,具有高度的空间构象依赖性。T细胞表位是指抗原经过抗原递呈细胞(加工后,由MHC分APC)

子递呈给T细胞受体(的短肽。TCR)1.2 抗原表位的预测

构建多表位疫苗的关键就是如何准确预测和筛

4]

,传统的实验室方法主要有选特异性的抗原表位[

合成重叠肽法和噬菌体展示技术等。但是,单靠试验方法去寻找抗原表位耗时、费力、费用高、方法复杂。随着生物信息学的飞速发展,运用软件分析预测抗原表位已经成为人们经常采用的方法。根据已有的表位数据资料,通过计算机软件对氨基酸(或碱基)序列进行分析,可迅速地预测出候选抗原表位。1.2.1 B细胞抗原表位预测 早在20世纪80年

代,Hooood就提出了以蛋白质亲水性参数p和W

5]

,之后又有很为基础的B细胞抗原表位预测方法[

基酸肽段,最后通过淋巴细胞功能试验确定可以被T细胞识别的肽段。这种方法鉴定的T细胞表位

且能发现一些不符合多肽结合基序的MHC可靠,

结合抗原肽,但却存在盲目性大、耗时、费用高、易漏检等缺点。随着分子生物学和分子免疫学技术的发展,尤其是计算机科学在生物科学中的广泛应用,应用计算机软件分析和生物信息学技术,从蛋白质的结构出发分析推导出抗原表位,将预测获得的表位肽再用试验方法验证,能够快速地鉴定出抗原表

7]

。相关软件主要有AMP、、、位[HITeitoeTSitespp

、EiMerEiMatrix等。TEredict是新开发出来的ppp

一个预测T细胞抗原表位的软件。

2 多表位疫苗的分子设计

2.1 抗原表位与载体偶联

易被细胞内的  由于抗原表位多肽分子质量小,蛋白酶所降解,大多需要与一个载体骨架蛋白分子相偶联来增强其免疫原性,常见的是将细胞表位与,载体蛋白如牛血清白蛋白(bovineserumalbumin  ,或匙孔血蓝蛋白(BSA)keholelimethemocanin  ypy

等相偶联,所诱导产生的免疫保护力与大分KLH)

8]

。子抗原相当[

多参数和算法问世,这极大地促进了对B细胞抗原表位的研究和应用。目前被认可和使用较多的方法主要有亲水性方案、可及性方案、电荷分布方案、抗原性方案、可塑性方案、二级结构预测方案等。但是,由于各种预测方案的局限性,在实际科学研究和运用中须综合考虑上述多种方案以期得到满意的结

[]

果。B细胞抗原表位预测软件主要有Beitoe6、pp

2.2 抗原表位线性串联

表位疫苗分子是由多个B细胞或T细胞抗原

表位组成的,直接将预测到的多个抗原表位首尾相连形成聚合线性抗原表位,主要有BB、TB、BB-T、-

这样的线性组合一般TT或T-B等线性组合方式,既可提都采用人工合成。这是一种最直接的方法,高抗原表位的免疫原性,又可做到对各个抗原表位的准确定量。串联时一般要串联30~40个以上的氨基酸才会具有良好的免疫原性。

2.3 MAP空间模式

,是multileantienMAP)etide  多抗原肽(  pgpp将病原微生物蛋白表面的多种T细胞或B细胞表位的氨基酸连接于树枝状的多聚赖氨酸骨架上而形成的一种具有独特三维空间结构的大分子疫苗。这种空间模式的优点是骨架分子中含有较多的抗原表不需要载体蛋白的偶联就可显著提高抗原表位位,

的免疫原性,能诱导出较高的免疫应答,而且能够很好地模拟表位构象,使多个保护性抗原表位在空间上充分伸展,易于表位的运输和递呈,可产生更好的

9]

。缺点是也需要化学合成,保护力[制备困难,费用

PREDICTEDANTIGENICPEPTIDES、ABCred  p

等。PREDICTEDANTIGENICPEPTIDES主要  针对蛋白抗原性进行分析。采用Kolaskar建立的预测方法,预测可能刺激机体产生抗体反应的抗原肽,准确率达75%。BeiPred是一种改良的预测线p性B细胞表位的方法,即在结合多个表位数据库的基础上结合Markov模型法对给定的蛋白质序列进行分析,预测其潜在的线性B细胞表位。ABCredp采用人工神经网络来预测线性表位,即从Bciepp和SwissProt数据库中提取非冗余的表位肽和非表位肽作为训练集,采用5预测的敏感性-折交叉验证,约为6特异性约为67%,4%。

1.2.2 T细胞抗原表位预测 目前研究T细胞抗原表位的方法主要有合成重叠肽法和计算机软件预测法。在已知抗原一级结构的条件下,预测T细胞表位通常采用的策略是,根据抗原蛋白的氨基酸序列随机合成或连续合成一系列的一个或几个重叠氨

其应用受到限制。高,

2.4 脂肽模式

)是近年来开发lioetidevaccine  脂肽疫苗( ppp

424

中国兽医科学第41卷

出的一种多肽疫苗,是将抗原表位肽共价连接到具有免疫佐剂活性的脂质分子上而构建的疫苗。脂质具有亲脂性,可迅速被动地跨越细胞膜将分子稳定,

抗原肽导入细胞内,这种疫苗不需其他佐剂就能诱导机体产生广泛的免疫应答,且没有佐剂的副作用,

]1012-

。是一种很有应用前景的疫苗设计方法[

柔性短肽可避免在两抗原表位连接处形成新的抗原

[4]

表位。L还发现,在抗原表位间插入ivinston等1g

的柔性短肽,也可避免在两抗原表序列为“GPGPG”位连接处形成新的抗原表位。这样的柔性接头也可以提高蛋白酶水解和抗原表位递呈的效率,能增强

[5]疫苗的免疫效果。V研究发现,在表位elders等1

2.5 表位基因重组表达模式

多表位蛋白疫苗是将多条编码特异性表位短肽

的D然后重组到NA序列以适当的方式串联起来,原核表达载体中获得重组蛋白制备而成的。疫苗注从多个射到机体内可以产生针对不同表位的抗体,也可以将编码特方面诱导机体的免疫应答。当然,

异性表位短肽的DNA序列重组到真核表达载体中制成多表位核酸疫苗。抗原表位在载体中的组建方式一般有以下4种。①单一表位:这是以表位为基础的基因免疫最基本的组建方式。②同源多表位串联:在单一表位构建基因疫苗的基础上,人们尝试了将多种表位串联,期望以增大量和多种类的抗原多肽诱导更为有效的免疫应答。③异源多表位串联:理想的疫苗应具备多能性,即可同时预防多种不同这就使研究者产生了在同一载体中插入异的疫病,

源多表位基因的思想。④表位插入“基因疫苗佐剂”之中:将表位插入某些已知的免疫原性较强的蛋白或分子中,利用后者协同辅助转录后处理以提高表达水平,或通过后者的强免疫原性可激活免疫系统,提高免疫应答。

一是各  构建重组表位疫苗的关键有四个方面:

二是要确保表位基因之间的优化组合与合理连接,

每个编码表位的基因序列可被正确阅读、翻译和有效终止,三是选择合适的表达载体,四是使用安全高效的免疫佐剂。相对于常规基因工程疫苗,采用基因重组表达模式构建多表位疫苗具有明显的优势,在同一载体上既可装载同种病原体的多种表位基因,也可装载不同病原体的多种表位基因,既可研制具有多重免疫保护作用的多价疫苗,也可用于研制

13]

。预防多种疾病的广谱疫苗[

之间插入“氨基酸序列后可提高表位被切割AAY”的效率。在多表位疫苗侧翼序列的优化中,常常引)入通用T细胞表位(以进universalTcelleitoe   pp

16]

。一步增强免疫效果[

3 多表位疫苗的应用

3.1 口蹄疫

表位疫FMD)  多表位疫苗最先开始于口蹄疫(

苗的研制,目前研制的表位疫苗包括合成肽疫苗、重

17]

。组表位疫苗以及表位核酸疫苗等[

[8]

分别按照A、oel等1O、C血清型FMDV  D

VP1蛋白的141~158位和200~213位共30个氨

基酸序列合成短肽,然后用这些合成肽分别免疫牛结果每个肽段都能诱导实验动物产生高水和豚鼠,

其中O、平的特异性中和抗体,A型合成肽免疫豚鼠可抵抗相应病毒的攻击并获得完全保护。杨志军

19]等[用化学方法合成O型口蹄疫病毒(外FMDV)

壳蛋白VP1中21~40位肽段的T细胞表位基因,与1再与41~160肽段的B细胞表位基因串联后,然后在大2半乳糖苷酶基因相连接构建重组质粒,β

肠杆菌中表达融合蛋白疫苗;动物免疫试验表明,该融合蛋白疫苗不仅能诱导豚鼠产生效价很高的中和而且产生大量针对病毒的专一性T细胞,与抗体,不含2用该疫苗免疫的豚鼠1~40肽段的疫苗相比,血单个核细胞对FMD并V的反应性提高7倍以上,,能抵抗病毒攻击。此外,UBI(UnitedBiomedical )生产的O型口蹄疫合成肽疫苗能引起机体产Inc.

生中和抗体,比传统灭活疫苗效果好,已经被注册生产。3.2 乙型肝炎

Ishioka等选取来自HBV和HIV蛋白抗原的  

还在9个HLA-A2和HLA-A11限制性CTL表位,基因序列中加入通用T细胞表位PADRE以及内

/质网转运信号肽序列,构建了HBVHIV多表位串联D并以此多表位DNA疫苗,NA疫苗免疫HLA-

诱导了针对各表位的特异性CA2转基因小鼠,TL,

[0]

且明显增强了部分表位的免疫原性。D筛ela等2p

2.6 重组多表位疫苗构建的新策略

保护力强、应答类型可  表位疫苗具有安全性好、

以有效调控等优点,再加上重组质粒很容易构建,使基因重组表达模式的表位疫苗具有较高的研究和应用价值。在抗原表位连接时,应考虑各抗原表位之间的间隔序列,以提高蛋白酶水解和抗原表位的递从而增强疫苗的免疫效果,同时还应避免产呈效率,

生新的抗原表位。通常在抗原表位间插入3~5个甘氨酸序列,甘氨酸为最简单的柔性氨基酸,这样的

选了HBV蛋白抗原中的30个CTL和16个HLT

表位,构建了D每个表位之间以GNA疫苗,PGPG

第4期              表位疫苗的研究进展  石晓妮等:

425

氨基酸间隔,用其免疫小鼠能刺激产生强烈的细胞免疫反应,且认为能起到控制和清除HBV的作用。3.3 血吸虫

[1]

用单抗(筛选随机肽rnon等2152669B)  A--

库,获得的3个模拟表位(在体外P28、P29和P30)

有两百多万新感染的人数,但目前还没有一种有效的疫苗能预防此病。HIV疫苗必须要能同时引起

26]

。机体的细胞免疫和体液免疫才能达到有效作用[

因此,多表位疫苗是HIV疫苗研究的主要方向和最

[7][2829]-

终目的。L和D通过合成来自u等2ing等以BHIV1的不同表位的表位多肽,SA或KLH作-

为载体构建免疫原,与弗氏佐剂或氢氧化铝佐剂混结果得到针对多表位的表位特合后免疫实验动物,

异性抗体,这为利用多表位疫苗对付病毒变异提供了试验依据。

能够被相应的单抗及感染鼠血清识别,且P30能够在体外诱导活化的淋巴细胞增殖。将模拟表位与牛/血清白蛋白偶联后免疫C结果发现57BL6J小鼠,P30BSA诱导的抗体能在补体介导下产生有效的-

22]

杀童虫作用。周智君等[用日本血吸虫抗原免疫得到了具有较好免疫血清筛选噬菌体随机12肽库,然后人工合成短肽并保护性的4个模拟抗原表位,

分别与K结果显示这4LH偶联后免疫昆明小鼠,个合成短肽均能被相应的小鼠抗体识别,具有良好的抗原性,可诱导机体产生特异性I这些G抗体,g抗体在补体的参与下能在体外有效毒杀血吸虫童虫,杀虫率最高能达到40%。3.4 肿瘤

且被认为  黑色素瘤通常对常规全身治疗耐受,

非常适合进行免疫是一种具有高免疫原性的肿瘤,

[3]

运用多肽疫苗治疗9名至少进治疗。Letsch等2

4 展望

但免疫原性强,能诱导对复  表位肽虽相对微小,

杂病原体的保护性免疫反应。以抗原表位预测和人工合成抗原表位基因为技术基础的多表位疫苗已经正在受到在疫苗研究领域取得了令人鼓舞的成果,越来越多的关注和研究。然而表位疫苗的研究仍然存在许多问题:①表位的预测多是基于线性氨基酸而较少涉及空间构象;序列的,②抗原表位的预测方法有待进一步改进和完善,以提高其准确性;③表位这的排列组合和正确组装是构建表位疫苗的关键,且没有统一的方法,还需进项技术还不是十分成熟,

一步深入探索;④如何避免表位之间互相影响也需深入探索;⑤如何选择高效安全的佐剂也是影响表位疫苗效果的因素。目前,研制成功并应用到生产中的表位疫苗还不是很多,但作为一种新型疫苗,它相信表位疫苗已经表现出了非常诱人的发展前景,

在未来动物疫病的防控中必能发挥重要的作用。

行过3次黑色素瘤切除术后又再次复发的患者并进行长期随访,其中2名在随访期内未见复发,另2名仅出现单处或多处早期复发(均可经手术切除)并在其后随访期内未见复发,且4名停止复发的患者均对疫苗产生了免疫应答,该研究小组认为应用多肽疫苗可以延长恶性黑色素瘤复发的间隔时间。3.5 流感

基于抗原表位开展  在流感表位疫苗的研究中,

的疫苗研究主要包括:合成肽疫苗、重组抗原表位亚单位疫苗、多表位串联DNA疫苗等。构成流感病毒的全部数十种蛋白均被鉴定出具有不同功能的表位,其中HA和NP的表位研究最为深入。Hual等以大肠杆菌表达HA三个中和表位HA183195、-

产HAHA127133、92105的重组多表位肽免疫兔和小鼠,--

[4]

以一个真生了高效价的中和抗体。Thomson等2

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核质粒表达了1采用这样的质0个CTL抗原表位,粒免疫鼠后,发现这些表位诱导了较强的应答并可清除感染的病毒。贾雷立等

[25]

以H3、H9亚型流感

病毒的HA抗原表位及流感病毒的其他主要抗原

表位基因为基础,构建了抗猪流感的复合型多表位核酸疫苗,并在HeLa细胞中表达出流感病毒多表位抗原蛋白。3.6 HIV

IDS在全球肆意传播,2007年以来每年将近  A

426

中国兽医科学第41卷

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