快报 | 基于生物信息学设计一种可预防结核分枝杆菌和SARS-CoV-2共感染的多表位疫苗

作者：彭聪、唐凤杰、王杰、程鹏、王亮、龚文平

第一作者及单位：彭聪，解放军总医院第八医学中心结核病医学部研究所

通信作者及单位：龚文平，解放军总医院第八医学中心结核病医学部研究所；王亮，解放军总医院第八医学中心老年医学科

Immunoinformatic-Based Multi-Epitope Vaccine Design for Co-Infection of Mycobacterium tuberculosis and SARS-CoV-2

Peng C, Tang F, Wang J, Cheng P, Wang L, Gong W. 

J Pers Med，2023，13(1):116.

doi: 10.3390/jpm13010116.

PMID: 36675777.

研究背景

结核病（tuberculosis，TB）是一种由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, MTB）感染引起的人畜共患传染病。根据世界卫生组织发布的《2022年全球结核病报告》，2021年人类免疫缺陷病毒阴性人群中估计有6万例结核病新发病例和1万例结核病相关死亡。此外，COVID-19的爆发流行对结核病的预防、诊断和治疗产生了诸多影响。在既往的研究中，MTB合并SARS-CoV-2感染的数量越来越多。有研究表明，老年人合并MTB和SARS-CoV-2感染的死亡率明显高于单一病原体感染者及年轻患者。因此，有必要研制一种针对MTB和SARS-CoV-2合并感染的新型疫苗。传统的疫苗开发方法既费时又费力，而生物信息学和免疫信息学技术的出现改变了传统的疫苗构建策略，使疫苗研发更加高效和经济。本研究采用生物信息学技术预测了MTB抗原和SARS-CoV-2刺突蛋白潜在的免疫显性HTL、CTL和B细胞表位，辅以佐剂或辅助肽以提高其免疫原性。在此基础上，构建了新型表位疫苗分子S7D5L4并解析了其二级和三级结构，模拟了其与TLR之间的分子对接和其诱导固有免疫细胞和适应性免疫细胞数目变化以及细胞因子分泌水平。这项研究为预防MTB和SARS-CoV-2合并感染提供了一种新的候选疫苗。

研究设计

1.筛选免疫显性HTL、CTL和B细胞表位并构建疫苗候选分子：从UniProt数据库获取SARS-CoV-2的刺突糖蛋白序列与MTB的Ag85a、Mtb8.4蛋白序列，并通过在线数据库预测3种蛋白的线性B细胞表位、HTL表位、CTL表位，并按照筛选准则挑选符合的表位。采用柔性和刚性连接子将上述表位连接并辅以TLR激动剂和辅助肽来提高疫苗的免疫原性。随后，采用Prabi和PSIPRED服务器预测候选疫苗分子的二级结构，并使用I-TASSER服务器预测候选疫苗分子的三级结构。

2.解析疫苗分子的结构、理化特性、分子对接和免疫特性：使用Prabi和PSIPRED服务器获取候选疫苗分子的二级结构参数，例如理化特性等。使用GalaxyRefine网络服务器优化并预测优化后的疫苗候选分子的空间结构。使用ClusPro 2.0在线服务器对候选疫苗进行配体-受体对接分析。使用C-ImmSim服务器对候选疫苗分子的免疫能力进行模拟预测。

研究结果

1.选择免疫显性表位并构建候选疫苗分子S7D5L4的一级结构、二级结构及三级结构：连接所有选定表位以构建选疫苗分子（图1)。选择50S核糖体（L7/L12）作为佐剂，并使用EAAAK接头与PADRE连接。使用PADRE和CTL表位，并使用AAY接头结合。使用GPGPG和KK分别连接HTL表位和B细胞表位。并将候选疫苗分子命名为S7D5L4。随后，通过在线数据库预测S7D5L4的二级结构（图2A）及三级结构（图2B和2C）。其理化性质参见表1。

图1   S7D5L4疫苗分子构建

图2   S7D5L4疫苗分子的二级（A）、三级结构（B）及其优化后结构（C）分析

表1  S7D5L4疫苗分子的理化特性分析

2.对S7D5L4进行优化，并对S7D5L4的对接能力和免疫能力进行分析：结果显示，优化后S7D5L4疫苗的可接受区域从65.62%提高到81.03%，并且异常区域的占比明显降低（图3）。随后的对接模拟结果显示，S7D5L4疫苗可以与TLR-4紧密对接（图4）。而在免疫模拟中，S7D5L4疫苗可诱导B细胞产生高水平的IgM和IgG抗体（图5A），从而建立免疫记忆。而在辅助性T细胞和细胞毒性T细胞群中也观察到具有相应记忆发育的高反应（图5B，5D）。我们发现活性细胞毒性T淋巴细胞的数量逐渐增加，并在刺激后的第60天达到峰值后开始下降。然而，静息细胞毒性T淋巴细胞表现出相反的趋势（图5D）。我们还观察到S7D5L4疫苗可以刺激活性B淋巴细胞的大量增殖（图5C），并诱导机体产生高水平的IFN-γ和IL-2（图5E）。

图3  S7D5L4疫苗三级结构模型的评价与验证

图4   S7D5L4和TLR4的分子对接

图5   S7D5L4疫苗诱导的免疫应答

研究意义

在这项研究中，我们使用生物信息技术设计了一种可同时预防MTB和SARS-CoV-2共感染的多表位疫苗S7D5L4，并分析了其结构、理化特征和免疫学特性。结果表明，S7D5L4疫苗具有抗原性高、免疫原性强、不致敏、无毒、溶解性好、稳定性好等特点。此外，S7D5L4疫苗对TLR4具有良好的亲和力，并可诱导机体产生高水平的先天性和适应性免疫应答。本研究为预防MTB和SARS-CoV-2合并感染提供了一种新的候选疫苗。

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供稿：彭聪，龚文平

编辑：孟    莉 

审校：范永德

发布日期：2023-02-01