病毒感染與傳播嚴重危害人類健康和社會經濟的發展，已引起全球的高度關注。其中，流感是由流感病毒引起的一種呼吸道傳染病，傳播迅速，據世界衛生組織的數據，季節性流感每年可導致全球29萬-65萬人死亡，300萬-500萬重癥病例。
疫苗是預防和控制流感病毒的最為經濟有效的手段之一。2021年《科學》雜志將“下一代疫苗的開發”列為125個前沿科學問題之一。
中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所司龍龍課題組以流感病毒為模式病毒，通過操控病毒蛋白的降解，開發了蛋白降解靶向減毒病毒疫苗技術，該研究成果于北京時間7月4日發表于國際學術期刊《自然—生物技術》。
該成果基于合成生物學技術理念，將細胞內蛋白質降解機制拓展至病毒疫苗的設計中，為減毒病毒疫苗的設計開發提供了新思路。司龍龍及研究助理申權、博士后李靜為論文共同第一作者；司龍龍為本文通訊作者。
論文截圖
細胞內的“蛋白清潔工”
開發減毒疫苗的關鍵步驟之一是對病毒減毒，確保其安全性，這樣才能“為人類所用”。蛋白質是組成病毒結構并維持其正常生命活動所必需的主要成分之一，為研究病毒減毒提供了重要切入點。
“基于蛋白質調控的減毒策略大致可以歸納為兩個方面，一是抑制或阻斷蛋白質合成以減少子代病毒組裝所需的‘原料’；二是加速蛋白質降解以清除子代病毒組裝所需的‘原料’。”司龍龍介紹。
在天然的細胞內，約80%的蛋白質的降解過程需要依賴一種叫做“泛素-蛋白酶體系統”的途徑來實現，即細胞內缺陷或受損的蛋白質會被“泛素”小蛋白標記，再由蛋白酶體識別和降解。通過這樣一個高度特異的方法，細胞得以實現對不需要的“蛋白垃圾”進行降解。
PROTAC病毒疫苗設計原理圖 來源：
近年來，細胞內的“蛋白清潔工”—泛素-蛋白酶體系統已被成功用于PROTAC化學小分子藥物開發。PROTAC藥物是一種兩端含有不同活性化學基團的化學分子，它的結構類似于啞鈴，其中一端的化學基團結合靶蛋白，另一端的化學基團結合E3泛素連接酶；通過這種方式，“蛋白清潔工”可以有效地把目標蛋白降解。
“借鑒PROTAC化學小分子藥物的設計原理，我們把泛素-蛋白酶體系統可以降解靶蛋白的生物學機制運用到了PROTAC病毒疫苗的設計中。通過實現病毒蛋白降解的條件性操控，控制病毒的復制能力，將病毒減毒成為潛在的減毒疫苗。”司龍龍表示。
拓展應用，合成PROTAC病毒疫苗
流感病毒可分為甲、乙、丙、丁四型。人類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。在該研究中，司龍龍課題組利用實驗室常用的甲型流感病毒的模式病毒——WSN毒株，基于PROTAC技術開發了可條件性操控病毒蛋白質穩定與降解的元件，成功構建了PROTAC流感病毒疫苗株M1-PTD。
“PTD是一個蛋白降解誘導元件，把它與病毒蛋白融合表達后，可以誘導病毒蛋白被細胞的泛素-蛋白酶體系統降解掉。”司龍龍說道。“當病毒在正常細胞中，被PTD標記的病毒蛋白會被泛素-蛋白酶體系統識別而降解，導致病毒復制能力減弱甚至缺陷，確保疫苗應用的安全性。”
在疫苗的生產過程中，需要將病毒蛋白保留下來才能生產出疫苗。在該研究中，病毒蛋白降解誘導元件在疫苗制備細胞中會被選擇性移除，使得病毒蛋白得以保留，因此PROTAC病毒在疫苗制備細胞中可以維持較高的復制能力，得以制備疫苗。
在驗證實驗中，該團隊使用小鼠、雪貂動物模型對PROTAC流感病毒疫苗M1-PTD分別進行了安全性和有效性評價。將流感病毒疫苗以滴鼻的方式接種于動物，監測動物的死亡率和體重，并檢測動物鼻洗液、氣管、肺中的病毒滴度。
結果顯示，與野生型病毒相比，M1-PTD在動物體內的復制能力顯著降低，且不會引起小鼠死亡或體重下降，說明其在動物體內具備安全性；另外，免疫效果評價結果顯示，M1-PTD可以誘導廣泛的免疫應答，包括體液免疫、黏膜免疫、細胞免疫應答；此外， M1-PTD可以提供良好的交叉免疫保護。這些研究結果表明PROTAC流感病毒具備成為流感減毒疫苗的潛質。
該研究基于合成生物學理念，將細胞的蛋白質降解機器生物學機制拓展至病毒疫苗的設計中，不僅為病毒疫苗開發提供了新思路，豐富了人類抵御病毒的疫苗技術武器庫，也有助于促進細胞蛋白質降解機器基礎生物學研究與疫苗研發醫學轉化的深度交叉融合。
“雖然我們在細胞和動物模型中證明了PROTAC病毒疫苗概念的可行性， PROTAC病毒作為疫苗的潛在應用仍需要大量的優化和探索。當前我們正通過與多個單位合作，探索該技術是否也可以用于其他種類病毒的疫苗開發。”司龍龍說。（丁寧寧 深圳先進院科研團隊供圖）
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