病毒遗传学和免疫逃避:对疫苗开发的影响

任何疫苗的金标准都是引起灭菌免疫，其中产生中和抗体(nab)是最重要的。与感染发生时的有效免疫相比，消毒免疫可防止宿主发生生产性病毒感染，但病毒很快被清除，与未接种疫苗的个体相比，疾病的严重程度要小得多。虽然疫苗开发人员希望实现无菌免疫，但大多数疫苗也会诱导t细胞反应。t细胞免疫和免疫记忆可以为宿主提供抵御病毒感染的免疫保护。然而，病毒遗传多样性和免疫逃避是开发安全有效疫苗的一个始终存在的挑战。表现出遗传多样性的病毒，特别是编码表面暴露蛋白的基因，如严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)突刺蛋白，可以进化并适应新的宿主和环境条件。因此，这些新的病毒变体可能能够逃避以前通过接种疫苗或过去感染获得的免疫保护。

虽然病毒基因组相对较小，¹每一次复制都有犯错的可能。病毒感染宿主细胞并劫持其复制机制，这有时会导致病毒基因组突变的产生。由此产生的突变对病毒可能是中性的、有利的或不利的，这取决于各种选择压力。选择性压力可能来自宿主免疫系统、宿主环境和暴露于疫苗或其他抗病毒疗法等来源。虽然有害的突变将被选择并从病毒种群中去除，但证明有益的突变，如宿主范围、传染性或免疫逃避，可能保留在病毒基因组中。¹

病毒是遗传多样性的生物实体，其基因组类型(DNA或RNA)和复制方法各不相同。RNA病毒的每个位点突变率更高，为10⁶到10⁴与DNA病毒相比，新的碱基取代/核苷酸/细胞，10⁸到10⁶．¹与DNA病毒相比，RNA病毒基因组也更加异质，有双链、单链和正负意义的RNA。将遗传多样性引入RNA病毒的分子机制包括一些依赖RNA的RNA聚合酶缺乏校对、重组和重组。¹虽然DNA病毒也会发生遗传变化，但本文将重点介绍RNA病毒中的变化，如人类免疫缺陷病毒-1 (HIV-1)，甲型流感病毒IAV和SARS-CoV-2。

病毒遗传多样性

人类免疫缺陷病毒-1

病毒遗传多样性及其对疫苗开发提出的挑战的一个经典例子是HIV-1。的hiv - 1env使病毒附着并进入宿主细胞的包膜糖蛋白的基因编码。包膜蛋白还含有显性表位，这是nab的优良靶点，因此使其成为疫苗抗原的主要候选。然而,env基因表现出如此高的突变率和遗传多样性，以至于目前还没有开发出能够抵御各种病毒亚型的疫苗。因为envHIV-1基因在基因上是如此多样化，可以分为几个组和亚型。HIV-1分为三组，M, O和N;在这两组之间~ 50%env观察序列差异。 ² 在M组中，有9个分支，比例高达35%env多样性，每个分支有高达15%的可变性。 ² 此外，env基因可以在单个宿主中发生突变，从而导致准种，准种可以是特定宿主或地理区域所独有的。 ² 正是这种令人难以置信的多样性使得HIV-1疫苗的开发特别困难。此外，随着该基因继续受到免疫和环境的选择性压力，它将继续进化。

在甲型流感病毒

IAV 表现出多样性，特别是在编码表面暴露蛋白血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)的基因上。如前所述，一些依赖RNA的RNA聚合酶，包括属于IAV的RNA聚合酶，不具有校对功能。因此HA和na编码基因可以累积点突变，导致 抗原漂移 ． 另外，由于流感基因组的分段性， 抗原转移 可能是病毒之间通过重组大量交换HA或NA基因组片段的结果。 ^3. 抗原转移通常发生在动物宿主中，如猪，当它们同时感染来自多个物种的毒株时，例如，人类和鸟类的IAV。这可能会导致产生一种新的重组病毒，这种病毒能够感染人类，但我们对它没有预先存在的免疫力，就像以前的流感大流行那样。 ^3. 尽管IAV具有可变性质，但由于全球监测和精心规划，每年可根据正在流行或预计将流行的毒株提供疫苗。然而，每年接种疫苗或自然感染并不一定能预防随后感染具有不同版本HA或NA的IAV菌株。在免疫选择压力下，在免疫反应中幸存下来的新的HA或NA变体被选择并在IAV种群中占主导地位。 ^3.

严重急性呼吸综合征冠状病毒2

虽然SARS-CoV-2的突变率仍在调查中，但它带来了世界各地科学家在监测病毒基因组变化方面的独特合作，几乎是实时的。 ⁴ 共享所有流感数据全球倡议 (GISAID)公开提供了超过100万个SARS-CoV-2序列。这些序列由世界各地的实验室和医院保存，提供了这次大流行期间不同时间点的病毒突变快照。 ⁴ Harvey等人提供了一篇非常好的综述，讨论了导致世界各地出现变异的突变，最早在2020年4月就出现了与原始爆发菌株的分歧。 ⁴ 随着SARS-CoV-2在世界上许多地方几乎不受控制地继续复制，突变将继续导致变体的增加。

疾病控制中心(CDC)已经注意到这种病毒进化，其中变种被定义为“感兴趣的变种”、“关注的变种”和“高后果的变种”。 ⁵ 如所述 斯特凡·罗森伯格博士 加州大学戴维斯分校医学微生物学和免疫学系教授，“从目前的大流行中吸取的教训是，如果很多人感染了[SARS-CoV-2]，病毒就有更高的机会适应人类或对疫苗产生耐药性。”Rothenburg教授继续说:“随着感染人数的增加，病毒将会进化。”

SARS-CoV-2的S糖蛋白介导宿主细胞附着、细胞进入，具有高度的免疫原性，是NAb的靶点，是研制疫苗的良好抗原。 ⁴ 然而，就像已经讨论过的其他免疫原性蛋白一样，总有可能当编码S蛋白的基因处于选择压力下时，产生的突变会导致免疫原性、传播性甚至致病性的改变，所有这些都会影响疫苗的开发。

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免疫逃避

虽然HIV-1包膜糖蛋白可以诱导nab，但随着免疫应答的增加，它们变得无效env基因突变，以应对这些nab对病毒施加的选择压力。因此，在包膜中看到的突变可以导致一个重要的表位的丢失，从而导致免疫逃逸。 ⁶ 这些新变体不再对包膜的早期“版本”所引起的nab作出反应。HIV-1免疫逃避也会导致病毒重复感染 ⁷ 当一个人感染了一种以上的HIV-1毒株时，就会发生这种情况。 ⁷ 虽然这种情况可能不常见，但由于病毒的高度遗传多样性，这是一种非常现实的可能性。重复感染还表明，自然的HIV-1感染并不能防止后续感染HIV-1变体的可能性。 ⁷ 这些逃逸突变体对疫苗设计提出了挑战，需要找到一个或多个保守的表位，以提供针对多种HIV-1亚型的保护。 ⁷

目前正在进行两项有前景的疫苗试验，以应对HIV-1变异带来的挑战;一个 第一阶段在英国牛津大学学习 和一个 由杨森疫苗和预防b.v.在美国赞助的III期研究 ．这两项试验都使用不同类型的“马赛克”疫苗，结合两种或多种HIV-1变异的表位，以促进对多种HIV-1亚型的保护。

IAV的HA-和na编码基因的遗传多样性提供了一种免疫逃避，因为相应的抗原变化可以使预先存在的抗体在中和其目标或阻止识别时效果较差。科学家们还在研究基因保守的非结构蛋白-1 (NS1)，它可以通过限制干扰素-1的合成和限制病原体相关的分子模式识别来帮助病毒逃避宿主的免疫反应。 ⁸ 绕过或减缓这些先天免疫反应可以使病毒不受约束地复制并在宿主细胞中立足，远远早于宿主可能从宿主细胞中清除病毒的任何潜在反应。为了避免基于遗传多样性的免疫逃避，研究人员正在探索是否可以将进化上保守的流感病毒蛋白视为疫苗靶点，如基质-2蛋白核蛋白和某些保守的HA表位。 ^3.

如前所述，编码SARS-CoV-2 S蛋白的基因发生了突变，美国疾病控制与预防中心的新分类就是明证。 ⁵ 由于免疫和环境压力作用于S基因，已选择逃逸突变体。这些变异可以通过改变蛋白质结构来逃避免疫反应，因此表位可能会丢失，或者与NAb相比，对宿主受体的亲和性可能会增加。 ^{4 ， 9} 为了应对SARS-CoV-2，必须监测病毒的基因变化，特别是那些有可能使病毒逃避免疫反应，并可能绕过已批准疫苗的有效性的基因变化。这是一个病毒的例子，虽然通常不被归类为遗传多样性，但在我们眼前进化，以应对高选择性压力。

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新兴技术

在讨论病毒遗传多样性、免疫逃避和对疫苗开发的影响时，不能不提到旨在追踪动物和人类病毒中这些遗传变化的新技术和新兴技术。当被问及这些技术对病毒研究的重要性时 阿道夫·加西亚·萨斯特雷博士 萨奈山伊坎医学院全球健康和新兴病原体研究所主任说:“(它们)非常重要，它可以收集关于病毒变异的几乎实时遗传信息，变得更加普遍，如果变异逃避了预先存在的免疫，就可以快速检测。”

预测新出现的传染病是一项非常困难的任务。Rothenburg教授说:“一般来说，预测哪些病毒有可能在人类中爆发是最重要的。”加西亚-萨斯特雷博士表示，对于科学界来说，保持领先于下一个新出现的病毒，就像“根据之前的信息预测下一个中奖彩票号码”。因此，尽管科学可能无法预测下一个新出现的病毒病原体——这是一项艰巨的任务——但可以跟踪目前感染动物和人类的许多病毒的遗传变化，以确定这些变化是否会导致免疫原性、致病性或传播性的变化。

技术包括 新一代测序 (NGS)和深度测序允许在单核苷酸水平上监测遗传变化。使用生物信息学来管理和分析序列数据，对于保持这些数据的组织和传播是至关重要的。CRISPR技术使研究人员能够筛选整个病毒基因组，寻找可能在免疫逃避或发病机制中发挥作用的基因。 ¹⁰ 最后，深度突变扫描为研究人员提供了一种工具，可以检查病毒和宿主基因组中的氨基酸变化，从而发现病毒和宿主蛋白质之间的相互作用。 ¹¹ 这些只是科学家可以利用的一些技术，以推进病毒遗传学、免疫逃避和疫苗开发的研究。

参考文献

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3.金姆H，韦伯斯特RG，威比RJ。流感病毒:处理漂移和移动的病原体。病毒Immunol。2018; 31(2): 174 - 183。doi: 10.1089 / vim.2017.0141

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