2023年7月25日，中国工程院院士张改平院士团队以水稻胚乳表达经典猪瘟病毒E2为例，描述了一种简单、高效的疫苗设计策略。相关成果以“Rice-produced classical swine fever virus glycoprotein E2 with herringbone-dimer design to enhance immune responses”为题，发表在Plant Biotechnology Journal。该研究论文通过水稻表达“人字形”E2二聚体（ht-rE2 dimer），阐明水稻表达系统具备精准表达体外设计蛋白的潜力。其表达E2二聚体具有病毒囊膜蛋白的天然构象和高效的抗原活性，同时具备安全性、易于大规模生产和低成本的特点。本研究为水稻生产动物疫苗的分子设计提供理论依据。 
　　

黄病毒科瘟病毒属的病毒严重危害全球动物健康，造成巨大的经济损失。经典猪瘟病毒（CSFV）是第一个被报道的由瘟病毒引起的病原体，CSFV属于单股正链RNA囊膜病毒。目前批准的CSFV疫苗大多是减毒活疫苗，该疫苗的安全性、长期保护作用及CSFV净化等问题仍有待解决，而大多数商品化亚单位疫苗免疫应答水平较低，需要大剂量和多次注射，这可能导致浪费动物的免疫潜力，且存在潜在的副作用。因此，迫切需要开发一种安全、高效、低剂量和稳定性高的疫苗。 

本研究提出了一种简单高效的二聚体疫苗设计策略，并以CSFV E2为例验证疫苗设计的可行性 （图1）。通过水稻胚乳表达ht-rE2 dimer，并在小鼠，兔子和猪的动物实验中验证疫苗的免疫应答水平和疫苗效力。结果显示，接种两次284 ng ht-rE2 dimer疫苗或一次接种 5.12 μg ht-rE2 dimer疫苗均可有效保护实验动物猪免受病毒攻击。值得注意的是，低剂量284 ng ht-rE2 dimer疫苗免疫诱导产生的中和抗体滴度是减毒活疫苗的32倍，且E2特异性抗体的免疫持续期长达180天以上。进一步研究表明，该疫苗诱导的免疫应答不受动物母源抗体的影响。 

为了验证rE2蛋白的分子结构符合预期，通过X-射线衍射对rE2二聚体晶体进行分析。结果显示，rE2由两个分子的不对称结构单元组成，形成一个稳定的“人字形”构象。该二聚体的结构排布与之前解析的BVDV E2（PDB ID：4JNT 和 2YQ2）二聚体结构存在显著差异，表现出一种独特的结构。与“尾尾相连”E2 二聚体不同，“头尾相连”二聚体与溶液中SAXS模型的“棒状”rE2相吻合。ht-rE2 dimer排列显示rE2呈“扁平”状，相同表位呈反向平行排列，暴露在同一平面上。此外，位于ht-rE2 dimer C端的表位高度保守且完全暴露，这对随后研究其结构和功能非常重要（图2）。 

通过晶体结构和小角度X-线散射的方法，验证ht-rE2 dimer“人字形”二聚体排布符合预期，且该结构具有两个完全暴露的双受体结合域（图3）。由于瘟病毒与HCV在结构和功能上有许多相似之处，因此瘟病毒常被用作HCV的替代模型被广泛研究。综上所述，该研究为HCV和其他黄病毒科病毒疫苗的设计提供理论基础，同时论证了水稻生产平台在获得绿色健康药物中具有良好的应用前景。 

　　  
　　图1. 水稻源“人字形”二聚体ht-rE2 dimer的设计和表达 
　　    
　　图2. ht-rE2 dimer二聚体晶体结构的特征 

设施贡献 

国家蛋白质科学研究（上海）设施“五线六站” BL18U1线站及BL19U2线站为该工作提供了条件保障和技术支持。 

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14152