導讀：HIV-1包膜蛋白（Env）的高度糖基化、構象靈活性和抗原多樣性，使得傳統疫苗策略難以誘導廣泛的中和抗體（bNAbs）。單體蛋白疫苗（如gp120）缺乏廣譜性。病毒樣顆粒（VLP）疫苗能模擬病毒結構，但未成熟的VLP（含未切割的Gag蛋白）也難以有效激活B細胞。2025年4月30日，美國國立衛生研究院（NIH）國家過敏和傳染病研究所與Moderna合作在Science Translational Medicine發表研究成果：Inclusion of a retroviral protease enhances the immunogenicity of VLP-forming mRNA vaccines against HIV-1 or SARS-CoV-2 in mice。研究人員基于前期開發的病毒樣顆粒（VLP）mRNA疫苗平臺（包含Env和Gag的mRNA），進一步優化設計：加入編碼逆轉錄病毒蛋白酶（Pro）的mRNA，使Gag前體蛋白（p55）被切割為成熟形式（MA、CA等），生成成熟VLP。成熟VLP的Env蛋白可能更接近天然病毒結構，進一步增強mRNA疫苗的免疫原性。

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研究背景

mRNA 技術的出現為HIV-1疫苗的研發帶來了新契機。mRNA 可引導宿主細胞內源性地制造病毒 Env 糖蛋白，這種糖蛋白帶有天然的 N-連接糖基化，有助于 bNAbs 識別的保守中和表位形成正確的抗原構象，這是 mRNA 疫苗針對高度糖基化蛋白的獨特優勢。

其次，基于VLP 的疫苗在模擬天然病毒顆粒方面表現出色，在大小、形狀和抗原性上與自然感染時產生的病毒顆粒相似，能夠更有效地被抗原呈遞細胞識別和攝取，引發更強的免疫反應。此前，NIH研究團隊針對HIV開發的env-gag mRNA疫苗通過形成VLP抗原，在小鼠和獼猴模型中展現出良好的效果，能誘導產生 HIV-1 三聚體結合和中和抗體，并保護獼猴免受異源 SHIV 感染。

在此基礎上，研究人員設想：是否能優化env-gag mRNA疫苗的設計，進一步提高mRNA疫苗的免疫原性？例如，加入逆轉錄病毒蛋白酶（Pro），讓 Gag 蛋白充分加工，產生成熟的 VLP。

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研究方法與結果

2.1 HIV-1 VLP成熟機制：蛋白酶的關鍵作用

研究首先證實了添加逆轉錄病毒蛋白酶（Pro）有利于形成成熟的HIV VLP顆粒。

研究人員模擬HIV-1 感染過程中 Pro 的轉錄機制，合成了五種基于 SIVmac239 序列的 gag-pol mRNA 構建體。其中三種保留核糖體移碼機制，未完全進行密碼子優化；另外兩種不含核糖體滑序列和基因重疊，可進行完全密碼子優化。將這些構建體分別與 SIV gag mRNA 共轉染到細胞中，評估細胞外 VLP 的產量。

結果發現，全長無移碼的Gag-Pol NF 構建體產生的細胞外 VLP 產量最高（p27產量）。因此，研究人員選擇 Gag-Pol NF 構建體進行進一步研究，并確定了 gag-pol:gag mRNA 為 1:10 的比例時，最適合 mRNA 指導下的成熟 VLP 生產。

冷凍電鏡結果顯示，成熟和未成熟 VLPs 的粒徑都在 140~160nm 左右。未成熟 VLPs表面 Env 刺突較少且不聚集；而成熟 VLPs表面 Env 刺突密度更高，有明顯的三到四個刺突聚集現象。

2.2 Pro對HIV-1 VLP-mRNA疫苗的影響

研究人員在小鼠模型中評估添加Pro 對 HIV-1 env-gag mRNA 疫苗免疫原性的影響。將野生型 BALB/c 小鼠分為五組，接種不同的 mRNA 配方。為了突出 Pro 的作用，研究使用了亞最優劑量的 env mRNA（2.5μg / 劑量）。小鼠在第 0 天、第 28 天接種去除三個關鍵聚糖（N276D、N460D 和 N463D）的 426c ΔG3 Env，第 112 天接種部分聚糖修復的 426c-ΔG1 Env (N276D)，第 141 天接種完全糖基化的 426c-WT Env。在不同時間點采集小鼠血液，檢測血清中三聚體結合抗體和中和抗體滴度。

結果顯示，所有接受含Pro 疫苗方案的小鼠組產生的三聚體結合抗體滴度均高于不含Pro組。在中和抗體方面，整體上含 Pro 的疫苗組表現更優，尤其是 gag-pol:gag mRNA 比例為 1:5時（Group 3），中和抗體滴度和中和反應率最高。

實驗數據表明添加Pro 能顯著增強 HIV-1 env-gag mRNA 疫苗的免疫原性。

2.3 Pro對新冠VLP-mRNA疫苗的影響

隨后，研究人員探索了通過添加 Pro 增強免疫原性的這一策略是否適用于其他疫苗。

他們將Spike-S mRNA、SIV gag mRNA在有無SIV gag-pol mRNA構建體（SIV gag-pol COhi 或 gag-pol NF）的條件下共轉染，結果發現兩種 gag-pol mRNA 構建體都能促進VLP 的大量產生。

研究人員還在小鼠中進行了免疫實驗，設計與 HIV-1 免疫研究類似。在第 0 天、第 28 天和第 112 天進行免疫，檢測抗體滴度。結果顯示，含 Pro 的疫苗組在多個時間點的刺突三聚體結合抗體滴度顯著高于不含 Pro 的組。在中和抗體方面，含 Pro 的疫苗組產生的中和抗體滴度更高。

這項實驗證明，加入 SIV Pro 同樣可以增強SARS-CoV-2 VLP mRNA疫苗的免疫原性。

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結語

這項研究通過在編碼病毒VLP的mRNA疫苗中引入逆轉錄病毒蛋白酶 Pro，改進了mRNA 疫苗平臺，實現了從生產未成熟 VLPs 到成熟 VLPs 的轉變，為疫苗免疫原性的提高提供了新的技術手段。研究人員不僅在 HIV-1 疫苗中驗證了該策略的有效性，還在 SARS-CoV-2 疫苗中得到證實，表明這種增強免疫原性的方法具有廣泛的應用前景，可能適用于多種病毒疫苗的研發。

參考文獻

[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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撰寫| 工程菌星球

校稿| Gddra編審| Hide / Blue sea

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