人乳头瘤病毒16、31、33和58型别交叉中和表位的特征和初步定位

Human papillomavirus (HPV) is one of the most common infectious virus in the human being, its persistent infection could cause cervical cancer, vaginal cancer, penile cancer and genital warts and other diseases. More than 15 types of high-risk HPV can lead to cervical and vaginal cancers. The commercial HPV vaccine only can induce type-restricted neutralizing antibodies and thus cannot confer cross-protection against hetero-genotype HPV infection. The hotspot in wide-spectrum HPV vaccine field is to screen genotype-cross neutralizing antibody and characterize the underlying cross-neutralizing epitopes for vaccine design. We have screened for the first time an HPV tetra-type cross-neutralizing antibody (13A10), which neutralizes high-risk HPV type 16, 31, 33 and 58 in pseudovirion-based neutralization assay. We also have determined a cryo-EM structure of 13A10 Fab in complex with HPV58 virus-like particle at about 20 Å resolution. The structure demonstrated the approximate binding region and binding stoichiometry. In the present grant application, we will investigate the neutralization mechanism of the unique antibody, solve a high-resolution cryo-EM structure of 13A10 Fab in complex with HPV58 VLP, and elucidate the genotype-cross neutralizing epitope and conservative epitope sites. All the findings may provide solid theoretical foundation on HPV infection, receptor investigation and vaccine design for next-generation broad-spectrum HPV vaccine.

人乳头瘤病毒（HPV）是人群中常见的传染性病毒之一，持续感染HPV将导致宫颈癌和阴道癌等疾病。HPV型别众多，其中导致宫颈癌和阴道癌的型别超过15种，而目前的HPV疫苗仅诱导型特异性的中和抗体，无法保护其他型别的感染。因此，寻找HPV型交叉中和抗体、鉴定型交叉中和表位是HPV广谱疫苗设计的关键。我们前期首次筛选到一株可同时中和四种型别（HPV16/31/33/58）的型交叉中和抗体13A10，并解析了低分辨的HPV58 病毒样颗粒（VLP）结合13A10 Fab复合物冷冻电镜结构，初步确定了抗体结合的化学剂量和角度。本项目拟研究13A10的四型交叉中和作用机制，提高HPV58 VLP-13A10 Fab免疫复合物电镜结构的分辨率，确定13A10的结合位置，并通过突变实验验证表位的关键氨基酸，为HPV感染机制研究、受体研究和HPV广谱疫苗设计提供理论基础。

人乳头瘤病毒（Human papillomavirus，HPV）的持续感染能导致上皮组织的增生性病变和多种良恶性肿瘤，其中至少25种高危型别与宫颈癌高度相关。由于HPV VLP具有严格的型别限制性（type-restricted），难以诱导产生交叉中和抗体，因此HPV疫苗采用多种VLP混合来预防不同型别的感染，为扩大疫苗保护范围只能不断增加VLP种类，导致免疫原剂量过高，从而带来更加高昂的成本、更复杂的生产工艺和潜在的安全性问题，因此设计“以一防多”的HPV交叉疫苗具有十分重要的意义。. 本研究从高危型别交叉中和抗体入手，解析高分辨率的病毒与抗体免疫复合物结构，揭示交叉中和表位的空间分布特征，阐明抗体发挥交叉中和作用的分子机制。.首先，本研究发现13A10可阻碍病毒吸附细胞外基质但是不阻碍病毒吸附细胞膜，其通过干扰病毒在细胞膜上迁移入胞实现中和作用。其次，本研究阐明了HPV抗体跨型中和的分子结构基础。通过WAVE生物反应器和超速离心获取高纯度的均一的HPV假病毒（pseudovirus, PsV），并制备PsV与交叉中和抗体13A10 Fab的免疫复合物。通过冷冻电镜单颗粒重构技术解析HPV16:13A10、HPV31:13A10、HPV33:13A10和HPV58:13A10四种免疫复合物结构，分辨率分别为4.19 Å、13.76 Å、6.40 Å和4.92 Å。利用局部重构的方法优化HPV16:13A10和HPV58:13A10结构，搭建原子模型分析发现每个五聚体结合5个Fab分子。13A10能同时结合来自三个相邻L1蛋白单体的DE环、FG环和HI环。13A10识别HPV 58上具有高度的序列保守性和结构保守性，这是13A10产生跨型交叉中和的结构基础。. 综上所述，本研究基于结构疫苗学的思路和方法，研究HPV高危型别跨型交叉中和抗体识别表位，从分子水平阐明了抗体抵抗病毒感染的分子机制和结构基础。.