病毒感染与传播严重危害人类健康和社会经济的发展，已引起全球的高度关注。其中，流感是由流感病毒引起的一种呼吸道传染病，传播迅速，据世界卫生组织的数据，季节性流感每年可导致全球29万-65万人死亡，300万-500万重症病例。
中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所司龙龙课题组以流感病毒为模式病毒，通过操控病毒蛋白的降解，开发了蛋白降解靶向减毒病毒疫苗技术。该成果基于合成生物学技术理念，将细胞内蛋白质降解机制拓展至病毒疫苗的设计中，为减毒病毒疫苗的设计开发提供了新思路。
细胞内的“蛋白清洁工”
开发减毒疫苗的关键步骤之一是对病毒减毒，确保其安全性，这样才能“为人类所用”。蛋白质是组成病毒结构并维持其正常生命活动所必需的主要成分之一，为研究病毒减毒提供了重要切入点。
“基于蛋白质调控的减毒策略大致可以归纳为两个方面，一是抑制或阻断蛋白质合成以减少子代病毒组装所需的‘原料’；二是加速蛋白质降解以清除子代病毒组装所需的‘原料’。”司龙龙介绍。
在天然的细胞内，约80%的蛋白质的降解过程需要依赖一种叫做“泛素-蛋白酶体系统”的途径来实现，即细胞内缺陷或受损的蛋白质会被“泛素”小蛋白标记，再由蛋白酶体识别和降解。通过这样一个高度特异的方法，细胞得以实现对不需要的“蛋白垃圾”进行降解。
近年来，细胞内的“蛋白清洁工”—泛素-蛋白酶体系统已被成功用于PROTAC化学小分子药物开发。PROTAC药物是一种两端含有不同活性化学基团的化学分子，它的结构类似于哑铃，其中一端的化学基团结合靶蛋白，另一端的化学基团结合E3泛素连接酶；通过这种方式，“蛋白清洁工”可以有效地把目标蛋白降解。
“借鉴PROTAC化学小分子药物的设计原理，我们把泛素-蛋白酶体系统可以降解靶蛋白的生物学机制运用到了PROTAC病毒疫苗的设计中。通过实现病毒蛋白降解的条件性操控，控制病毒的复制能力，将病毒减毒成为潜在的减毒疫苗。”司龙龙表示。
拓展应用，合成PROTAC病毒疫苗
流感病毒可分为甲、乙、丙、丁四型。人流感主要是甲型和乙型流感病毒引起的。其中甲型流感病毒已多次引起流感大流行。在该研究中，司龙龙课题组利用实验室常用的甲型流感病毒的模式病毒——WSN毒株，基于PROTAC技术开发了可条件性操控病毒蛋白质稳定与降解的元件，成功构建了PROTAC流感病毒疫苗株M1-PTD。
“PTD是一个蛋白降解诱导元件，把它与病毒蛋白融合表达后，可以诱导病毒蛋白被细胞的泛素-蛋白酶体系统降解掉。”司龙龙说道。“当病毒在正常细胞中，被PTD标记的病毒蛋白会被泛素-蛋白酶体系统识别而降解，导致病毒复制能力减弱甚至缺陷，确保疫苗应用的安全性。”
在疫苗的生产过程中，需要将病毒蛋白保留才能生产出疫苗。在该研究中，病毒蛋白降解诱导元件在疫苗制备细胞中会被选择性移除，使得病毒蛋白得以保留，因此PROTAC病毒在疫苗制备细胞中可以维持较高的复制能力，得以制备疫苗。
在验证实验中，该团队使用小鼠、雪貂动物模型对PROTAC流感病毒疫苗M1-PTD分别进行了安全性和有效性评价。将流感病毒疫苗以滴鼻的方式接种于动物，监测动物的死亡率和体重，并检测动物鼻洗液、气管、肺中的病毒滴度。
结果显示，与野生型病毒相比，M1-PTD在动物体内的复制能力显著降低，且不会引起小鼠死亡或体重下降，说明其在动物体内具备安全性；另外，免疫效果评价结果显示，M1-PTD可以诱导广泛的免疫应答，包括体液免疫、黏膜免疫、细胞免疫应答；此外， M1-PTD可以提供良好的交叉免疫保护。这些研究结果表明PROTAC流感病毒具备成为流感减毒疫苗的潜质。
该研究基于合成生物学理念，将细胞的蛋白质降解机器生物学机制拓展至病毒疫苗的设计中，不仅为病毒疫苗开发提供了新思路，丰富了人类抵御病毒的疫苗技术武器库，也有助于促进细胞蛋白质降解机器基础生物学研究与疫苗研发医学转化的深度交叉融合。
“虽然我们在细胞和动物模型中证明了PROTAC病毒疫苗概念的可行性， PROTAC病毒作为疫苗的潜在应用仍需要大量的优化和探索。当前我们正通过与多个单位合作，探索该技术是否也可以用于其他种类病毒的疫苗开发。”司龙龙说道。
PROTAC病毒疫苗设计原理图
该研究成果于北京时间7月4日发表于国际学术期刊《自然—生物技术》司龙龙及研究助理申权、博士后李静为论文共同第一作者；司龙龙为本文通讯作者。
论文截图
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01381-4
来源：中国科学院深圳先进技术研究院
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