世界衛(wèi)生組織（WHO）已批準(zhǔn)多種COVID-19疫苗用于緊急使用，這些疫苗基于多種平臺(tái)，例如mRNA疫苗、滅活病毒疫苗、蛋白亞單位疫苗和腺病毒載體疫苗。大多數(shù)疫苗選擇S原性和發(fā)揮作用的分子機(jī)制尚未完全闡明。
2025年3月19日，生命學(xué)院李賽課題組在《Structure》期刊發(fā)表了題為“Molecular basis of Ad5-nCoV vaccine-induced immunogenicity”的研究論文。該研究通過(guò)冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）、熒光顯微鏡和質(zhì)譜分析等技術(shù)，首次在分子層面揭示了兩種Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的結(jié)構(gòu)、分布和糖基化修飾信息。研究還在細(xì)胞水平上進(jìn)行了功能驗(yàn)證，為疫苗的優(yōu)化和開發(fā)提供了重要的分子視角。
本項(xiàng)目研究了兩種疫苗，分別編碼了野生型新冠病毒S蛋白（Ad5-nCoV_Wu）和Omicron變異株+序列優(yōu)化的S蛋白（Ad5-nCoV_O）。研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)Ad5-nCoV疫苗接種細(xì)胞后誘導(dǎo)的S蛋白進(jìn)行了免疫熒光染色，對(duì)Ad5-nCoV腺病毒疫苗表達(dá)的S蛋白在細(xì)胞上的具體定位進(jìn)行分析，確認(rèn)了Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)產(chǎn)生的S蛋白表達(dá)在細(xì)胞膜上。接著使用冷凍電子斷層成像（cryo-ET）技術(shù)對(duì)接種疫苗后的細(xì)胞進(jìn)行原位研究，在原位水平上觀察到Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白密集地呈現(xiàn)在細(xì)胞膜上，并且主要以融合前構(gòu)象（prefusion）存在。研究團(tuán)隊(duì)還觀察到，接種Ad5-nCoV疫苗的細(xì)胞能分泌出由S蛋白包被的囊泡。原位cryo-ET捕捉到了S蛋白包被囊泡的分泌過(guò)程中分別存在于細(xì)胞內(nèi)部與細(xì)胞外部的狀態(tài)（圖1）。這些由S蛋白包被的囊泡可以隨著體液運(yùn)輸擴(kuò)大免疫范圍。
圖1 Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白冷凍電子斷層圖像
團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞水平的研究中發(fā)現(xiàn)，Ad5-nCoV_Wu疫苗誘導(dǎo)的S蛋白在細(xì)胞膜上能夠介導(dǎo)細(xì)胞間融合，形成合胞體，而Ad5-nCoV_O疫苗由于2P突變和S1/S2切割位點(diǎn)的刪除，顯著減少了合胞體的形成，表明這些突變有效穩(wěn)定了S蛋白的前融合構(gòu)象，防止了細(xì)胞間融合的發(fā)生（圖2）。
圖2 Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白在細(xì)胞膜上的分布及合胞體形成
通過(guò)子斷層平均（sub-tomogram averaging）方法，團(tuán)隊(duì)解析了S蛋白的原位結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與天然SARS-CoV-2病毒上的S蛋白高度相似，S蛋白結(jié)構(gòu)完整且RBD結(jié)構(gòu)域具有靈活抬起和落下的特性（圖3）。
圖3 Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白原位結(jié)構(gòu)
為了在原位水平上驗(yàn)證Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的免疫原性，團(tuán)隊(duì)使用特異性識(shí)別S蛋白的抗體對(duì)接種Ad5-nCoV_O疫苗的細(xì)胞進(jìn)行孵育并進(jìn)行免疫熒光觀察及cryo-ET數(shù)據(jù)收集。在原位上發(fā)現(xiàn)Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白可以被抗體識(shí)別并結(jié)合，具有良好的免疫原性（圖4）。
圖4 Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的免疫原性驗(yàn)證。斷層圖像中紅色標(biāo)注為細(xì)胞表面的S蛋白密度，藍(lán)色標(biāo)注為識(shí)別S蛋白的抗體密度。
此外，團(tuán)隊(duì)通過(guò)質(zhì)譜分析，詳細(xì)解析了Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的糖基化修飾。研究發(fā)現(xiàn)，Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的糖基化模式與天然SARS-CoV-2病毒上的S蛋白高度相似，尤其是Omicron株S蛋白的糖基化更為成熟，復(fù)雜型糖基化比例更高。這些糖基化修飾不僅有助于S蛋白的正確折疊，還可能影響其免疫原性，進(jìn)而影響疫苗的保護(hù)效果（圖5）。
圖5 Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的糖基化修飾
本研究通過(guò)使用cryo-ET技術(shù)，揭示了Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)疫苗能夠高效誘導(dǎo)S蛋白的表達(dá)，并且這些S蛋白具有高度的結(jié)構(gòu)完整性和免疫原性。這些發(fā)現(xiàn)為理解疫苗如何通過(guò)細(xì)胞呈遞抗原至細(xì)胞膜，并傳遞抗原至體內(nèi)從而激活免疫系統(tǒng)的過(guò)程提供了原位水平的視角。在細(xì)胞水平上對(duì)Ad5-nCoV疫苗引發(fā)的合胞體現(xiàn)象的研究，為疫苗的接種策略優(yōu)化提供了建議。然而，Ad5-nCoV疫苗誘導(dǎo)的S蛋白的具體免疫機(jī)制，尤其是其與中和抗體的結(jié)合機(jī)制、疫苗誘導(dǎo)的后續(xù)免疫反應(yīng)的分子機(jī)制等，是下一步的研究重點(diǎn)。
清華大學(xué)生命學(xué)院、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李賽副教授為本研究的通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院2020級(jí)博士研究生董冬陽(yáng)和博士后宋雨桐為本研究的共同第一作者。另外，李賽課題組2020級(jí)博士研究生彭程、2023級(jí)博士研究生張偉平、2021級(jí)博士研究生孔維正、科研助理張哲源、2023級(jí)博士研究生宋靜雯參與了部分工作。軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院研究員侯利華、吳詩(shī)坡與副研究員王步森為項(xiàng)目提供了腺病毒載體疫苗和寶貴的科學(xué)建議。
本工作得到了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)、生物計(jì)算平臺(tái)、細(xì)胞影像平臺(tái)和公共生物安全二級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)支持。同時(shí)，本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)春風(fēng)基金、清華大學(xué)篤實(shí)基金、清華-北大生命聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等支持。特別感謝雷建林博士、楊帆博士、李曉敏博士在冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集方面提供的幫助；感謝劉冰鈺博士、李靜博士在熒光成像方面提供的幫助；感謝鄧海騰博士、田曉林博士在質(zhì)譜樣品處理及分析方面提供的幫助。
原文鏈 接 ： https://www.cell.com/structure/fulltext/S0969-2126(25)00062-0
來(lái) 源：生命科學(xué)前沿
本期編輯：可愛(ài)晨
熱門跟貼