靶向CD4受体的人类免疫缺陷病毒中和抗体的作用机制和表位结构研究

AIDS caused by Human Immunodeficient Virus (HIV) is the most sever viral infectious disease that poses great threat on human health. By far, there are no efficacious prophylactic vaccine and fully radical therapeutic drugs. HIV membrane protein (Env) binding with CD4 molecule initiates the virus infection. However, Env glycoprotein is undergoing highly genetic mutation, which leads to the failure of many vaccine clinical trials. CD4 is the primary receptor in HIV infection, thus the perturbation over HIV-CD4 binding or CD4-mediated cell entry will completely abrogate HIV infection. Moreover, CD4 is the innate molecule in human body with highly conservation in sequence and quaternary structure. So CD4 might be promising target for widely anti-HIV purpose, given the anti-CD4 activity not affect normal function in human body. In our previous work, we described a novel mAb that specifically binds human CD4 domain 1 blocking HIV-1 infection that is different from the humanized anti-CD4 antibody named Ibalizumab. In the present application, we will further screen more anti-CD4 antibody, solve the structure of CD4-15A7 immune complex by X-ray crystallography, and investigate the potential signal pathway induced by anti-CD binding. The results may shed light on the antiviral mechanism of various anti-CD4 antibodies, and provide useful structural information for antiviral drug design and understanding on the underlying relationship among antibody, CD4 and HIV.

人类免疫缺陷病毒（HIV）导致的艾滋病是威胁人类健康的最严重的病毒传染性疾病，目前仍然缺乏有效的预防性疫苗和完全根治的药物。HIV外膜蛋白（Env）与CD4受体结合是HIV感染的第一个事件，Env蛋白高度变异，是HIV疫苗难以取得突破的重要原因之一；CD4作为HIV感染的第一受体，阻止CD4结合HIV或介导入胞可完全阻断HIV感染，CD4是人体内源性功能蛋白，具有高度的保守性，是良好的广谱抗病毒靶标，但需考虑干扰CD4是否影响其正常功能。我们前期研究获得与正在临床研究的CD4人源化单抗Ibalizumab表位不同的广谱中和抗体15A7，其表位位于CD4 D1结构域，具有广谱中和活性。本研究拟进一步筛选CD4抗体，解析CD4-15A7免疫复合物晶体结构，阐明抗病毒的分子机制，探索CD4抗体可能参与的信号通路，为靶向CD4的抗HIV感染研究提供结构信息和抗体、CD4受体、HIV三者的作用机制。

人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus ，HIV ）是导致人类获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的病原体。其表面成熟的外膜蛋白（Env）与免疫细胞上的CD4分子相互识别，是HIV-1感染靶细胞的关键步骤。但由于HIV-1基因高度变异、Env高度糖基化等因素，疫苗研发仍具有重重困难，而寻找有效的抗病毒治疗靶标及广谱的抗病毒药物则成为艾滋病治疗的重要方式。CD4是人体内源性功能蛋白，具有高度的保守性，通过靶向CD4的中和抗体与CD4结合可以完全阻断HIV-1感染，从而能实现抗体的广谱治疗和保护效果。前期研究发现靶向CD4表位并与已报道靶向CD4表位的人源化单抗Ibalizumab表位不同的广谱中和抗体15A7，并在后续的筛选中筛选到类似抗体14G7。本研究拟通过功能研究及晶体结构解析阐明这类抗体的抗病毒分子机制，验证其对CD4正常功能的影响，探索其可能参与的信号通路，为CD4为靶点的抗病毒药物或抗体研究奠定基础。.本课题按照预定的目标已完成各项指标：利用动物免疫及抗体筛选技术筛选到靶向CD4表位的广谱中和抗体15A7和14G7；并完成了其各项生化性质验证工作，确定了其与CD4作用区域为D1D2区；利用晶体筛选平台，对抗原抗体的制样条件及结晶条件进行了优化，获得了晶型良好的单晶；利用X-射线晶体学方法解析了14G7与CD4复合物2.88A。的高分辨率结构；通过对复合物结构进行分析，确定了其作用的表位和关键氨基酸位于CD4的D1结构域，14G7与CD4的识别位点与Env的识别位点发生重叠而发挥高效的中和潜能；同时，通过体外功能性实验验证，初步确认该抗体不会通过影响下游p56lck通路并抑制下游细胞因子的产生而影响CD4的正常功能。本研究筛选的14G7作为一种安全的广谱中和抗体对HIV-1的抗病毒治疗具有重要意义，其复合物结构的解析更为靶向CD4的抗HIV感染研究提供结构信息，为靶向该靶点的广谱药物的设计及筛选提供了重要支撑。.通过本课题实施，共发表SCI文章6篇，中文核心期刊7篇，培养硕士研究生6名，博士研究生1名。