2024年10月10日，蘭州獸醫(yī)研究所郭慧琛團隊在Nature Communications發(fā)表題為“Foot-and-mouth disease virus antigenic landscape and reduced immunogenicity elucidated in atomic detail”的研究論文。利用冷凍電鏡結(jié)合大動物免疫實驗、病毒中和性噬斑減少實驗、液相阻斷ELISA試驗等揭示了口蹄疫病毒(FMDV)從完整146S解離到12S后免疫效力顯著降低的具體機制。該研究揭示了原子分辨率下病毒抗原性變化的特征，解決了FMD研究中長期懸而未決的問題，擴展了對FMDV抗原表位分布和抗體反應的全面理解，是FMDV結(jié)構(gòu)和抗原性研究方面極為重要的突破。將為基于結(jié)構(gòu)的FMD新型多價廣譜疫苗的設計提供有價值的指導。
FMD是一種對偶蹄動物具有高度傳染性的疾病，其病原為FMDV，包含七種血清型(O、A、C、Asia 1、SAT 1–3)，每種血清型都有多個不斷進化的亞型且血清型之間沒有交叉保護。成熟的病毒粒子（146S）由一個二十面體衣殼包裹正義RNA基因組構(gòu)成。病毒衣殼由60個原體組裝形成，每個原體包含一個病毒衣殼蛋白VP1、VP2和VP3的單拷貝，以及一個內(nèi)部的VP4蛋白。與其他小RNA病毒不同，完整的FMDV衣殼很容易在暴露于微熱(56°C)或酸性pH值(pH<6.5)時，降解為缺乏VP4的12S五聚體顆粒和不可溶的VP4聚集物。
傳統(tǒng)的FMD疫苗以滅活的FMDV為抗原。完整146S的疫苗效力比12S高45至400倍；T細胞反應也依賴于完整的146S并協(xié)助誘導中和抗體。這種免疫原性的差異與146S和12S間均具有多個表位的保守性相矛盾。盡管FMDV與宿主免疫系統(tǒng)的相互作用已被廣泛研究，但12S在誘導保護性抗體方面效率較低的分子基礎一直無法解釋。為了研究146S和12S抗原性和免疫原性的差異，該研究首先解析了12S（3.2 ?）及其與靶向病毒粒子內(nèi)部的單域抗體M3F免疫復合物（3.2 ?）的高分辨率結(jié)構(gòu)。這是首次報道的小RNA病毒五聚體的高分辨率結(jié)構(gòu)，也是首次通過結(jié)構(gòu)解析觀察到的抗體靶向小RNA病毒衣殼內(nèi)部的研究。結(jié)果顯示，解離后的五聚體表現(xiàn)出顯著增加的曲率，頂部（結(jié)構(gòu)蛋白VP1）更向外突出，邊緣（結(jié)構(gòu)蛋白VP2和VP3）更向內(nèi)凹陷，可能是由于原本146S球面結(jié)構(gòu)裂解導致亞單位12S缺乏幾何約束。在裂解產(chǎn)生的12S中觀察到，VP1和VP2 N端明顯的大規(guī)模無序，并伴隨VP4的丟失。在此基礎上，進一步解析了146S與兩種不同的146S特異性單域抗體（M678F和M688F）的復合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，確定M678F和M688F分別結(jié)合在靠近3次軸和5次軸頂點的位置，阻礙了VP1中RGD序列與整合素的相互作用。兩個單域抗體采用不同的、與146S結(jié)合的特異性機制，M678F通過在3次軸處跨越兩個相鄰的五聚體來實現(xiàn)與146S的結(jié)合特異性。而M688F通過在5次軸頂點處跨越兩個相鄰的原體5S來實現(xiàn)與146S的結(jié)合特異性，該構(gòu)象表位中因146S的解離導致曲率增加，改變了這些原體在5倍頂點處的距離。兩種抗體通過穩(wěn)定146S顆粒結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生RGD與整合素之間的空間位阻，實現(xiàn)對病毒中和效果，而且，兩種抗體的協(xié)同中和效力比自身單獨中和作用強50倍左右。
該研究還通過測量病毒表面表位之間的距離，并使用該研究解析的結(jié)構(gòu)和已發(fā)表的FMDV 13個抗體復合物3D結(jié)構(gòu)的聚類分析，重新繪制了146S的抗原位點圖譜。新繪制的結(jié)構(gòu)位點包括通過逃逸突變分析鑒定的已知抗原表位，并提示存在潛在的新抗原位點，可供后續(xù)研究。一些先前確定的5個抗原位點與該研究中指定的四類抗原位點相關。位點1主要是線性的且對胰蛋白酶敏感，包含VP1的GH環(huán)和C端，相當于該研究中的II類位點。除位點5外，位點2-5均為構(gòu)象位點且對胰蛋白酶具有抗性。該研究不支持將位點1和5分開分類，這兩個位點都涉及 VP1的GH環(huán)。但是，位點 2、3和4分別對應于研究中的III、I和IV類位點。基于結(jié)構(gòu)的位點分類還允許將非中和抗原位點映射到V類位點，而這是利用逃逸突變實驗不能測定的。研究中基于結(jié)構(gòu)的分類還可以分析針對血清中不同類別的單個表位的抗體反應，并顯示使用146S和12S免疫誘導不同的抗體譜系。
在該研究中，用等劑量的12S和146S免疫兩組豬后，12S組和146S組之間的總FMDV特異性抗體反應水平相似，表明12S效力降低不太可能歸因于與146S之間顆粒大小的差異。通過比較146S和12S在豬體內(nèi)的免疫原性，例如引起中和抗體效力差異和基于結(jié)構(gòu)分類的五類抗體水平的差異，并結(jié)合結(jié)構(gòu)抗原位點圖譜的分析，發(fā)現(xiàn)146S的解離引發(fā)多種表位的結(jié)構(gòu)改變和破壞，從而導致12S與146S誘導的抗體譜系顯著不同，并顯著削弱了12S的疫苗中和效力。由此確定了在以往的研究中，針對FMDV單個抗原表位和肽疫苗在靶動物中表現(xiàn)出不太理想的保護效果的原因。研究最后提示，由于146S獨有的中和表位促進了FMDV特異的體液免疫，因此針對這些獨特中和表位的雞尾酒設計，可以在FMDV暴發(fā)期間用于緊急免疫疫苗的研發(fā)。
中國農(nóng)業(yè)科學院蘭州獸醫(yī)研究所孫世琪研究員、郭慧琛研究員和中國科學院生物物理所王祥喜研究員為論文的通訊作者，中國農(nóng)業(yè)科學院蘭州獸醫(yī)研究所博士生李昊洲、董虎博士和中國科學院生物物理所博士生劉攀為論文第一作者。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53027-5?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20241010&utm_content=10.1038/s41467-024-53027-5
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