跨越传统疫苗的界限：基于免疫信息学的多表位疫苗设计

肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae，S. pneumoniae）可引起中耳炎、脑膜炎、肺炎和败血症，全球每年因肺炎链球菌感染导致的死亡人数超过120万。然而，现有的基于荚膜多糖的疫苗存在覆盖率有限、成本高以及需要多次接种的问题。为解决这一难题，研究人员采用免疫信息学工具提出了一种针对S. pneumoniae TIGR4菌株的多表位疫苗，为全球抗击肺炎链球菌感染提供了全新思路。相关研究成果已发表在《Frontiers in Immunology》期刊上。

多表位疫苗设计

蛋白质序列检索：

从UniProt获取肺炎链球菌4型（ATCC BAA-334/TIGR4菌株）的完整蛋白质组序列。并采用VaxiJen服务器预测蛋白序列的抗原性。

CTL表位预测：

使用CTLPred进行MHC I类表位预测并选择了共识分值最低（结合能力最强）的表位。之后采用VaxiJen 2.0、AllerTOP 2.0和ToxinPred服务器对表位进行预测。

HTL表位预测：

通过ProPred工具预测了与MHC-II类分子结合的表位，同时评估了表位诱导细胞因子（如IFN-γ、IL-4和IL-10）的能力。

B细胞表位预测：

利用ABCPred工具预测了线性B细胞表位，并通过VaxiJen 2.0、ToxinPred和AllerTOP 2.0服务器分别对抗原性、毒性和过敏原性进行评估，筛选出高质量表位。

疫苗序列构建与优化：

将筛选出的CTL、HTL和B细胞表位通过特定的连接肽（如AAY、GPGPG和KK）连接，以确保表位的独立免疫活性。同时，为了增强免疫反应，在疫苗序列的N端加入了霍乱毒素B亚基作为佐剂，使用EAAAK连接肽进行连接。最终设计出的疫苗序列长度为392个氨基酸。通过ProtParam服务器确定修改后的疫苗的物理化学属性，包括分子量、理论Pi、不稳定性指数、脂肪族指数（AI）、体内外半衰期和GRAVY值。

图1：多表位疫苗序列^[1]

二、三级结构建模

使用PSIPRED和Phyre2服务器预测疫苗的二级和三级结构，结果显示疫苗具有良好的稳定性和功能性。通过GalaxyRefine服务器改进和增强预测的3D结构。

图2：疫苗3D结构图^[1]

分子对接

通过PatchDock工具对疫苗与TLR4受体进行分子对接，发现疫苗能够以较高的亲和力结合受体。

图2：疫苗与TLR4分子对接^[1]

动力学模拟

通过iMODS（NMA）服务器，以评估疫苗-受体复合物的稳定性。

免疫模拟

利用C-ImmSim服务器模拟疫苗的免疫反应，结果表明疫苗能够诱导显著的初级和次级免疫应答，促进IgG、IgM及细胞因子的分泌。

密码子优化

为了实现疫苗在大肠杆菌中的高效表达，研究团队通过EMBOSS工具对疫苗序列进行了反向翻译，并使用GenScript工具优化了密码子使用频率，最终获得了GC含量为50.18%、CAI值为0.96的基因序列。

总结

本研究提供了一种具有实际可行性的多表位疫苗设计策略，不仅为肺炎链球菌的防治提供了新的思路，也为其他病原体疫苗的开发奠定了基础。然而，尽管疫苗的计算模型表现出良好的性能，其在真实生物系统中的效果仍需通过进一步的体内外实验验证。

参考文献：

[1]S. S A ,Hani F ,Farkad B , et al.Integrated immunoinformatics and subtractive proteomics approach for multi-epitope vaccine designing to combat S. pneumoniae TIGR4[J].Frontiers in Molecular Biosciences,2023,101212119-1212119.