БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 10, с. 1449–1463
УДК 577.112
Разработка платформы для получения рекомбинантных белков – компонентов эпитопных вакцин для профилактики COVID‑19
1 Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, 123098 Москва, Россия
2 Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии, 127550 Москва, Россия
3 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия
4 НИИ гриппа имени А.А. Смородинцева Минздрава России, 197376 Санкт-Петербург, Россия
5 Санкт-Петербургский институт вакцин и сывороток ФМБА России, 198320 Санкт-Петербург, Россия
6 Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 08.06.2021
После доработки 11.07.2021
Принята к публикации 28.07.2021
DOI: 10.31857/S0320972521100043
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: SARS-CoV-2, Spike-белок, RBD, RBM, эпитопная вакцина, эпитоп, альдолаза.
Аннотация
Нами разработана новая платформа для создания антикоронавирусных эпитопных вакцин. Из рецептор-связывающего мотива Spike-белка вируса SARS-CoV-2 были выбраны два петлеобразных эпитопа длиной 22 и 42 аминокислотных остатка, реализующих большое количество белок-белковых взаимодействий в комплексах с ACE2 (ангиотензинпревращающий фермент 2) и нейтрализующими антителами. Нами проведено конструирование двух типов гибридных белков, включающих один из двух выбранных эпитопов. Для фиксации конформации выбранных эпитопов применялся подход с использованием белковых каркасов. В качестве эпитопного каркаса для сближения C– и N‑концов петлеобразных эпитопов использован гомолог белка Rop из плазмиды Escherichia coli ColE1, в структуре которого присутствует мотив «спираль–поворот–спираль». Петлеобразные эпитопы встраивали в область поворота; конформация дополнительно фиксировалась дисульфидной связью, образующейся между остатками цистеинов, присутствующих в составе эпитопов. С целью мультимеризации к эпитопам, встроенным в Rop-подобный белок, присоединяли либо альдолазу из Thermotoga maritima, формирующую в растворе тример, либо α-спиральный тримеризатор Spike-белка SARS-CoV-2. Для обеспечения возможности очистки на гепарин-содержащих сорбентах на C‑конец гибридных белков ввели короткий фрагмент из гепарин-связывающего гемагглютинина Мycobacterium tuberculosis. Все полученные белки демонстрировали высокий уровень иммуногенности после трехкратного парентерального введения мышам. Сыворотки мышей, иммунизированных обоими гибридными белками на основе альдолазы, а также белком на основе тримеризатора Spike-белка SARS-CoV-2, несущим более длинный эпитоп, в высоком титре взаимодействовали как с инактивированным вирусом SARS-CoV-2, так и с рецептор-связывающим доменом Spike-белка. Представленная разработка в перспективе может быть использована для создания новых эпитопных вакцин для профилактики вирусных инфекций.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-04-60373 20 «Разработка подходов к созданию профилактической вакцины нового типа против COVID-19, основанной на использовании рекомбинантных антигенов SARS-CoV-2 в составе химерных белковых наночастиц»).
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.
Дополнительные материалы
Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) (http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya/) и на сайте издательства Springer (www.springer.com/journal/10541), том 86, вып. 10, 2021.
Список литературы
1. Burton, D. R. (2002) Antibodies, viruses and vaccines, Nat. Rev. Immunol., 9, 706-713, doi: 10.1038/nri891.
2. Neu, K. E., Henry Dunand, C. J., and Wilson, P. C. (2016) Heads, stalks and everything else: how can antibodies eradicate influenza as a human disease? Curr. Opin. Immunol., 42, 48-55, doi: 10.1016/j.coi.2016.05.012.
3. Sok, D., and Burton, D. R. (2018) Recent progress in broadly neutralizing antibodies to HIV, Nat. Immunol., 19, 1179-1188, doi: 10.1038/s41590-018-0235-7.
4. Dejnirattisai, W., Supasa, P., Wongwiwat, W., Rouvinski, A., Barba-Spaeth, G., et al. (2016) Dengue virus sero-cross-reactivity drives antibody-dependent enhancement of infection with zika virus, Nat. Immunol., 17, 1102-1108, doi: 10.1038/ni.3515.
5. Yuan, M., Liu, H., Wu, N. C., Lee, C. D., Zhu, X., et al. (2020) Structural basis of a shared antibody response to SARS-CoV-2, Science, 369, 1119-1123, doi: 10.1126/science.abd2321.
6. Xu, K., Acharya, P., Kong, R., Cheng, C., Chuang, G. Y., et al. (2018) Epitope-based vaccine design yields fusion peptide-directed antibodies that neutralize diverse strains of HIV-1, Nat. Med., 24, 857-867, doi: 10.1038/s41591-018-0042-6.
7. Lu, S., Xie, X. X., Zhao, L., Wang, B., Zhu, J., et al. (2021) The immunodominant and neutralization linear epitopes for SARS-CoV-2, Cell Rep., 34, 108666, doi: 10.1016/j.celrep.2020.108666.
8. Juraja, S. M., Mulhern, T. D., Hudson, P. J., Hattarki, M. K., Carmichael, J. A., and Nuttall, S. D. (2006) Engineering of the Escherichia coli Im7 immunity protein as a loop display scaffold, Protein Eng. Des. Sel., 19, 231-244, doi: 10.1093/protein/gzl005.
9. Shevchenko, A., Tomas, H., Havlis, J., Olsen, J. V., and Mann, M. (2006) In-gel digestion for mass spectrometric characterization of proteins and proteomes, Nat. Protoc., 1, 2856-2860, doi: 10.1038/nprot.2006.468.
10. Grunina, T. M., Demidenko, A. V., Lyaschuk, A. M., Poponova, M. S., Galushkina, Z. M., et al. (2017) Recombinant human erythropoietin with additional processable protein domains: purification of protein synthesized in Escherichia coli heterologous expression system, Biochemistry (Moscow), 82, 1285-1294, doi: 10.1134/S0006297917110062.
11. Lee, S.-Y., Kim, C., Ryu, D.-K., Lee, J., Kim, Y.-I., et al. (2020) A novel neutralizing antibody targeting receptor binding domain of SARS-CoV-2, Res. Square, preprint, doi: 10.21203/rs.3.rs-59639/v1.
12. Zuniga, A., Rassek, O., Vrohlings, M., Marrero-Nodarse, A., Moehle, K., et al. (2021) An epitope-specific chemically defined nanoparticle vaccine for respiratory syncytial virus, Vaccines, 6, 85, doi: 10.1038/s41541-021-00347-y.
13. Cohen, A. A., Gnanapragasam, P., Lee, Y. E., Hoffman, P. R., Ou, S., et al. (2021) Mosaic nanoparticles elicit cross-reactive immune responses to zoonotic coronaviruses in mice, Science, 371, 735-741, doi: 10.1126/science.abf6840.
14. Kang, Y. F., Sun, C., Zhuang, Z., Yuan, R. Y., Zheng, Q., et al. (2021) Rapid Development of SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding domain self-assembled nanoparticle vaccine candidates, ACS Nano, 15, 2738-2752, doi: 10.1021/acsnano.0c08379.
15. Tan, T. K., Rijal, P., Rahikainen, R., Keeble, A. H., Schimanski, L., et al. (2021) A COVID-19 vaccine candidate using SpyCatcher multimerization of the SARS- CoV-2 spike protein receptor-binding domain induces potent neutralising antibody responses, Nat. Commun., 12, 542, doi: 10.1038/s41467-020-20654-7.
16. Nguyen, Q. D., Kikuchi, K., Maity, B., and Ueno, T. (2021) The versatile manipulations of self-assembled proteins in vaccine design, Int. J. Mol. Sci., 22, 1934, doi: 10.3390/ijms22041934.
17. Li, J., Ulitzky, L., Silberstein, E., Taylor, D. R., and Viscidi, R. (2013) Immunogenicity and protection efficacy of monomeric and trimeric recombinant SARS coronavirus spike protein subunit vaccine candidates, Viral Immunol., 26, 126-132, doi: 10.1089/vim.2012.0076.
18. Tai, W., Zhao, G., Sun, S., Guo, Y., Wang, Y., et al. (2016) A recombinant receptor-binding domain of MERS-CoV in trimeric form protects human dipeptidyl peptidase 4 (hDPP4) transgenic mice from MERS-CoV infection, Virology, 499, 375-382, doi: 10.1016/j.virol.2016.10.005.
19. Baum, A., Fulton, B. O., Wloga, E., Copin, R., Pascal, K. E., et al. (2020) Antibody cocktail to SARS-CoV-2 spike protein prevents rapid mutational escape seen with individual antibodies, Science, 369, 1014-1018, doi: 10.1126/science.abd0831.
20. Greaney, A. J., Starr, T. N., Gilchuk, P., Zost, S. J., Binshtein, E., et al. (2021) Complete mapping of mutations to the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain that escape antibody recognition, Cell Host Microbe, 29, 44-57.e9, doi: 10.1016/j.chom.2020.11.007.
21. Greaney, A. J., Loes, A. N., Crawford, K. H. D., Starr, T. N., et al. (2021) Comprehensive mapping of mutations in the SARS-CoV-2 receptor-binding domain that affect recognition by polyclonal human plasma antibodies, Cell Host Microbe, 29, 463-476.e6, doi: 10.1016/j.chom.2021.02.003.
22. Tegally, H., Wilkinson, E., Lessells, R. J., Giandhari, J., Pillay, S., et al. (2021) Sixteen novel lineages of SARS-CoV-2 in South Africa, Nat. Med., 27, 440-446, doi: 10.1038/s41591-021-01255-3.