蛋白纳米疫苗 VP6-Ferritin 高效免疫的结构基础研究

Vaccines have been the most effective medical interventions for preventing and controlling the propagation and explosion of infectious disease. The large unmet medical need of our country as well as the whole word demands further research and the development of novel vaccines with high efficacy and safety. The protein-based nanovaccines provide great promising for meeting these demands. In recent years, the ferritin-based antigen nanovaccines offer lower levels of pathogenicity, more robust immunogenicity, and high population coverage. However, the molecular mechanism by which the ferritin nanoparticles improve the immunogenicity of antigens remains unclear. In this project, we mainly study on the structural and functional relationship of the self-assembling rotavirus nanovaccine VP6-Ferritin by a combination of structural biology, nanobiology, cell biology, and immunology. The molecular mechanism of ferritin nanoparticles in improving the immune effects of VP6-Ferritin nanovaccine will be uncovered based on the three-dimensional crystal structure. This research will supply structural and theoretical basis of ferritin nanoparticles in the application area of antigen presentation. In addition, the new strategies will be established in efficient elicitation of immune response, which can be used to design and develop more protein-based nanovaccines.

疫苗是预防和控制传染性疾病传播与爆发的最经济、有效的医疗措施，开发安全、高效、低成本的理想疫苗是我国乃至全球生物医学领域的重大需求，蛋白纳米疫苗的研发为理想疫苗的实现提供了极大的可能性。近几年来，以铁蛋白（Ferritin）以抗原呈递平台的蛋白纳米疫苗具有病原性低、免疫原性高、适用性广泛的特性，但是关于铁蛋白纳米粒子提高抗原免疫原性的分子机理还未见报道。因此，本项目以免疫效果优异的轮状病毒自组装纳米疫苗VP6-Ferritin为研究对象，从蛋白纳米疫苗结构与功能的相互关系着手，综合利用结构生物学、纳米生物学、细胞生物学和免疫学等相关领域的理论及技术，通过蛋白质三维空间结构的解析从分子水平上阐述铁蛋白纳米粒子提高VP6-Ferritin纳米疫苗免疫效果的机理，从而为铁蛋白在抗原呈递领域的应用提供结构基础和理论依据，建立增强免疫效果的新策略，为更多自组装蛋白纳米疫苗的合理设计和开发奠定基础。

轮状病毒（Rotavirus, RV）是引起婴幼儿重症腹泻的主要病原体，每年都会造成严重的人员伤亡和经济损失，因此迫切需要有效的疫苗来抗击轮状病毒和保护幼儿的健康。轮状病毒的内衣壳蛋白VP6是一种潜在的疫苗候选蛋白，可诱导针对不同轮状病毒株的交叉保护免疫应答。为了近一步提高亚单位疫苗的免疫原性，在本项目中我们制备并研究了一种非活体的轮状病毒自组装重组纳米疫苗rVP6–ferritin。 . 通过细胞表面显示技术，rVP6–ferritin纳米颗粒不再以包涵体的形式存在，可以在大肠杆菌中高效表达并且具有良好的溶解性。表达于细胞膜表面的重组蛋白rVP6–ferritin可以通过Ni2+酶切技术快速纯化，并在体外生理pH条件下进行自组装。结构研究表明，与铁蛋白相似，重组rVP6–ferritin蛋白能够自组装成直径为12 ~ 20 nm的球形纳米粒子，并且轮状病毒衣壳蛋白在铁蛋白纳米笼的球形核心处自组装成像刺突一样的簇状结构。与铁蛋白不同，rVP6–ferritin的球形纳米颗粒仅在中性或弱碱性pH环境中结构稳定。口服rVP6–ferritin纳米颗粒可诱导小鼠有效的体液和黏膜免疫原性。进一步，通过将rVP6–ferritin 纳米疫苗在小鼠的乳汁中转基因表达，并用乳汁对幼鼠进行喂养。与野生型母鼠母乳喂养的幼鼠相比，转基因rVP6–ferritin母乳喂养的幼鼠体内具有强烈的诱导免疫原性。轮状病毒感染后出现腹泻症状的幼鼠比例、腹泻持续时间和强度以及腹泻对幼鼠整体生长的不利影响均显著降低。 . 这些结果表明，利用铁蛋白纳米颗粒作为抗原载体可以使抗原以多个拷贝数在球状表面有序排列，潜在地模仿自然宿主-病原体表面相互作用的重复性、几何形状、大小和形状，从而显著亚单位疫苗VP6的免疫原性，并提供更广泛的保护。此研究为抗病毒疫苗的研制和筛选提供创新性思路和理论依据，有望解决大多数传统疫苗安全隐患高、生产成本高昂、接种方式复杂、易被其他病毒污染等现状，为提高我国重大病毒性疾病防治水平贡献了一份力量。.