疫苗前沿 | 添加逆转录病毒蛋白酶可增强HIV VLP-mRNA疫苗的免疫原性

导读：HIV-1包膜蛋白（Env）的高度糖基化、构象灵活性和抗原多样性，使得传统疫苗策略难以诱导广泛的中和抗体（bNAbs）。单体蛋白疫苗（如gp120）缺乏广谱性。病毒样颗粒（VLP）疫苗能模拟病毒结构，但未成熟的VLP（含未切割的Gag蛋白）也难以有效激活B细胞。2025年4月30日，美国国立卫生研究院（NIH）国家过敏和传染病研究所与Moderna合作在Science Translational Medicine发表研究成果：Inclusion of a retroviral protease enhances the immunogenicity of VLP-forming mRNA vaccines against HIV-1 or SARS-CoV-2 in mice。研究人员基于前期开发的病毒样颗粒（VLP）mRNA疫苗平台（包含Env和Gag的mRNA），进一步优化设计：加入编码逆转录病毒蛋白酶（Pro）的mRNA，使Gag前体蛋白（p55）被切割为成熟形式（MA、CA等），生成成熟VLP。成熟VLP的Env蛋白可能更接近天然病毒结构，进一步增强mRNA疫苗的免疫原性。

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研究背景

mRNA 技术的出现为HIV-1疫苗的研发带来了新契机。mRNA 可引导宿主细胞内源性地制造病毒 Env 糖蛋白，这种糖蛋白带有天然的 N-连接糖基化，有助于 bNAbs 识别的保守中和表位形成正确的抗原构象，这是 mRNA 疫苗针对高度糖基化蛋白的独特优势。

其次，基于VLP 的疫苗在模拟天然病毒颗粒方面表现出色，在大小、形状和抗原性上与自然感染时产生的病毒颗粒相似，能够更有效地被抗原呈递细胞识别和摄取，引发更强的免疫反应。此前，NIH研究团队针对HIV开发的env-gag mRNA疫苗通过形成VLP抗原，在小鼠和猕猴模型中展现出良好的效果，能诱导产生 HIV-1 三聚体结合和中和抗体，并保护猕猴免受异源 SHIV 感染。

在此基础上，研究人员设想：是否能优化env-gag mRNA疫苗的设计，进一步提高mRNA疫苗的免疫原性？例如，加入逆转录病毒蛋白酶（Pro），让 Gag 蛋白充分加工，产生成熟的 VLP。

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研究方法与结果

2.1 HIV-1 VLP成熟机制：蛋白酶的关键作用

研究首先证实了添加逆转录病毒蛋白酶（Pro）有利于形成成熟的HIV VLP颗粒。

研究人员模拟HIV-1 感染过程中 Pro 的转录机制，合成了五种基于 SIVmac239 序列的 gag-pol mRNA 构建体。其中三种保留核糖体移码机制，未完全进行密码子优化；另外两种不含核糖体滑序列和基因重叠，可进行完全密码子优化。将这些构建体分别与 SIV gag mRNA 共转染到细胞中，评估细胞外 VLP 的产量。

结果发现，全长无移码的Gag-Pol NF 构建体产生的细胞外 VLP 产量最高（p27产量）。因此，研究人员选择 Gag-Pol NF 构建体进行进一步研究，并确定了 gag-pol:gag mRNA 为 1:10 的比例时，最适合 mRNA 指导下的成熟 VLP 生产。

冷冻电镜结果显示，成熟和未成熟 VLPs 的粒径都在 140~160nm 左右。未成熟 VLPs表面 Env 刺突较少且不聚集；而成熟 VLPs表面 Env 刺突密度更高，有明显的三到四个刺突聚集现象。

2.2 Pro对HIV-1 VLP-mRNA疫苗的影响

研究人员在小鼠模型中评估添加Pro 对 HIV-1 env-gag mRNA 疫苗免疫原性的影响。将野生型 BALB/c 小鼠分为五组，接种不同的 mRNA 配方。为了突出 Pro 的作用，研究使用了亚最优剂量的 env mRNA（2.5μg / 剂量）。小鼠在第 0 天、第 28 天接种去除三个关键聚糖（N276D、N460D 和 N463D）的 426c ΔG3 Env，第 112 天接种部分聚糖修复的 426c-ΔG1 Env (N276D)，第 141 天接种完全糖基化的 426c-WT Env。在不同时间点采集小鼠血液，检测血清中三聚体结合抗体和中和抗体滴度。

结果显示，所有接受含Pro 疫苗方案的小鼠组产生的三聚体结合抗体滴度均高于不含Pro组。在中和抗体方面，整体上含 Pro 的疫苗组表现更优，尤其是 gag-pol:gag mRNA 比例为 1:5时（Group 3），中和抗体滴度和中和反应率最高。

实验数据表明添加Pro 能显著增强 HIV-1 env-gag mRNA 疫苗的免疫原性。

2.3 Pro对新冠VLP-mRNA疫苗的影响

随后，研究人员探索了通过添加 Pro 增强免疫原性的这一策略是否适用于其他疫苗。

他们将Spike-S mRNA、SIV gag mRNA在有无SIV gag-pol mRNA构建体（SIV gag-pol COhi 或 gag-pol NF）的条件下共转染，结果发现两种 gag-pol mRNA 构建体都能促进VLP 的大量产生。

研究人员还在小鼠中进行了免疫实验，设计与 HIV-1 免疫研究类似。在第 0 天、第 28 天和第 112 天进行免疫，检测抗体滴度。结果显示，含 Pro 的疫苗组在多个时间点的刺突三聚体结合抗体滴度显著高于不含 Pro 的组。在中和抗体方面，含 Pro 的疫苗组产生的中和抗体滴度更高。

这项实验证明，加入 SIV Pro 同样可以增强SARS-CoV-2 VLP mRNA疫苗的免疫原性。

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结语

这项研究通过在编码病毒VLP的mRNA疫苗中引入逆转录病毒蛋白酶 Pro，改进了mRNA 疫苗平台，实现了从生产未成熟 VLPs 到成熟 VLPs 的转变，为疫苗免疫原性的提高提供了新的技术手段。研究人员不仅在 HIV-1 疫苗中验证了该策略的有效性，还在 SARS-CoV-2 疫苗中得到证实，表明这种增强免疫原性的方法具有广泛的应用前景，可能适用于多种病毒疫苗的研发。

参考文献

[1] Zhang P, Singh M, Becker VA, Croft J, Tsybovsky Y, Gopan V, Seo Y, Liu Q, Rogers D, Miao H, Lin Y, Rogan D, Shields C, Elbashir SM, Calabrese S, Renzi I, Preznyak V, Narayanan E, Stewart-Jones G, Himansu S, Connors M, Lee K, Carfi A, Lusso P. Inclusion of a retroviral protease enhances the immunogenicity of VLP-forming mRNA vaccines against HIV-1 or SARS-CoV-2 in mice. Sci Transl Med. 2025 Apr 30;17(796):eadt9576. doi: 10.1126/scitranslmed.adt9576.

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撰写| 工程菌星球

校稿| Gddra编审| Hide / Blue sea

编辑 设计| Alice