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Your Good Partner in Biology Research

同一團(tuán)隊連發(fā)3篇HIV重要成果

日期:2016-06-30 09:23:22

 想抓罪犯嗎?在報紙或電視新聞中顯示他的面部照片。想要阻止艾滋病毒感染嗎?讓免疫系統(tǒng)識別并攻擊病毒的結(jié)構(gòu)“信號”。

 

美國斯克里普斯研究所(TSRI)的一個研究小組就通過這種方法來設(shè)計艾滋病疫苗。這種策略取決于找到新的方法來穩(wěn)定稱為HIV - 1表面抗原的蛋白質(zhì),并設(shè)計HIV樣的粒子,來促使身體對抗真正的病毒。

 

現(xiàn)在,以該研究小組為首的兩項新研究加快了這些工作。第一項研究描述了一種策略,來穩(wěn)定一個重要的HIV結(jié)構(gòu),并可能制備HIV類用于大規(guī)模的疫苗生產(chǎn)。第二項研究使用這一新的見解,設(shè)計了新的納米顆粒作為候選疫苗。

 

這兩項研究成果發(fā)表在628日的Nature子刊《Nature Communications》。本文通訊作者、TSRI生物學(xué)家Jiang Zhu說:“從工程和設(shè)計方面來說,這都是一項很大的成就。”

 

穩(wěn)定艾滋病毒

 

在第一項研究中,Zhu和研究員Leo Kong (第一作者,現(xiàn)在在美國國立衛(wèi)生研究院),基于先前WardWilson實驗室的結(jié)構(gòu)性研究,來調(diào)查一個稱為“亞穩(wěn)度”的特征。亞穩(wěn)度描述的是艾滋病毒包膜糖蛋白(Env)三聚物的緊張態(tài),此時它就像一個負(fù)載彈簧,發(fā)生了戲劇性的變化,可使病毒進(jìn)入細(xì)胞。

 

對于想明確這一病毒靶標(biāo)、并探究“人類免疫系統(tǒng)面臨著什么”的科學(xué)家們來說,亞穩(wěn)度帶來了一個問題。亞穩(wěn)度也阻礙著天然免疫力和疫苗生產(chǎn)。對于這兩種情況中的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)來說,它需要識別一個病毒蛋白的功能性、穩(wěn)定版本——一副“面部照片”,這樣它就可以產(chǎn)生抗體并攻擊碰到的真實病毒。

 

不幸的是,由于病毒的亞穩(wěn)定性(或容易變形),我們難以構(gòu)建HIV蛋白的結(jié)構(gòu)用于疫苗的設(shè)計。TSRIWardWilson小組之前確定了其他Env的低溫電子顯微鏡和x射線結(jié)構(gòu);然而,當(dāng)前的方法可穩(wěn)定一個HIV病毒株中的Env,不一定能穩(wěn)定另外一個HIV病毒株的Env,因此,我們很難設(shè)計一個Env蛋白庫,幫助找到能夠?qū)苟喾NHIV類型的“廣泛中和性抗體”。

 

為了促進(jìn)疫苗的設(shè)計工作,TSRI研究人員想要查找亞穩(wěn)定性的根本原因,JiangKong假設(shè),改變Env的一個關(guān)鍵區(qū)域,會改善其整體性能。他們猜測,Env上稱為HR1的區(qū)域可能與亞穩(wěn)態(tài)有關(guān)。

 

Kong說:“HR1上基本上類似于一個高度彎曲的樹枝,準(zhǔn)備好在春天回直。HR1區(qū)域中的這個小彎曲可能是亞穩(wěn)態(tài)的‘零地帶’。在大多數(shù)發(fā)表的Env結(jié)構(gòu)中,當(dāng)這一區(qū)域發(fā)生突變或以原生形式松散包裝時,會出現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些觀察結(jié)果,重新布局HR1彎曲可以極大地穩(wěn)定Env,似乎是合理的。”

 

實際上,當(dāng)科學(xué)家們調(diào)整艾滋病毒的基因序列時,他們能夠縮短HR1區(qū)域,從而防止其轉(zhuǎn)換,并使其余的結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。Zhu說:“我們弄清了‘為什么HIV是亞穩(wěn)態(tài)的’一個根本原因。”

 

然后研究人員表明,他們穩(wěn)定的Env三聚物,也幾乎完全模仿真正HIV三聚物的結(jié)構(gòu),從而表明它們在疫苗中可能是有用的。既然重新布局HR1應(yīng)該能阻止Env經(jīng)歷到感染細(xì)胞的必要更改,那么穩(wěn)定策略還可能帶來蛋白質(zhì)或DNA為基礎(chǔ)的疫苗。此外,修改后的三聚物也有可能以很高的量和純度進(jìn)行生產(chǎn),這是工業(yè)規(guī)模的疫苗生產(chǎn)中的一個重要注意事項。

 

最后,因為許多病毒包含亞穩(wěn)態(tài)的Env蛋白質(zhì)——具有HR1樣區(qū)域,TSRI開發(fā)的這種工程方法可能適用于設(shè)計對抗其它病毒性病原體的疫苗,如流感和埃博拉病毒。

 

新的候選疫苗

 

在第二篇論文中,研究人員探討了可以模擬HIV的納米粒子設(shè)計。

 

在疫苗設(shè)計中粒子并不陌生。它們?yōu)閷谷祟惾轭^瘤病毒(HPV)、乙肝和戊型肝炎的成功疫苗提供了支柱。

 

這些納米顆粒被稱為病毒樣顆粒(VLPs),是自然界發(fā)現(xiàn)的其他蛋白質(zhì)的空心殼。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),他們可以將病毒蛋白添加到殼的外面,從而制備一個假的病毒。然后,“騙子”能夠刺激機(jī)體產(chǎn)生抗體,用于對真正病毒的長期防護(hù)。

 

但是隨著Zhu及其同事們專注于制備HIV樣的VLPsEnv三聚物再一次提出了一個挑戰(zhàn)。三聚體是由三個亞基組成,它們集合形成了一個皇冠的形狀。皇冠的頂部是三個亞基聚合的地方。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),當(dāng)一種疫苗只包含三聚物的一部分時,免疫系統(tǒng)不能產(chǎn)生廣泛中和抗體。免疫系統(tǒng)需要看到完整的HIV蛋白質(zhì)——也稱為抗原,它們刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體。

 

為了構(gòu)建一個人造病毒,在新的研究中,研究人員向納米顆粒中添加了HIV三聚體,它們將自己的亞基鎖定在一起成為三個集群。當(dāng)這三個亞基聚集在一起時,研究人員猜測,它們可以把HIV抗原集合在一起形成一個三聚物。

 

本文共同第一作者Linling He說:“我們的想法是將一個三聚體的HIV- 1抗原與納米顆粒亞基‘融合’在一起,所以當(dāng)亞基“自組裝”時,它們將三個附加的HIV - 1抗原聚合在一起。”

 

這是幾何學(xué)和工程學(xué)的一個壯舉。Zhu說:“將HIV Env正確地放在納米顆粒上,同時保持其自然的三聚物形式,這真的很具有挑戰(zhàn)性,而是我們做到了。現(xiàn)在,Env的多個副本顯示在納米顆粒表面,就像一個真正的病毒所做的那樣。”

 

然后,該研究團(tuán)隊測試了不同的納米粒子和三聚物版本,以找到最佳的組合。六個設(shè)計在實驗室檢測中表現(xiàn)良好,現(xiàn)在等待試驗動物模型。

 

Wilson說:“我們?nèi)栽谂ふ倚碌暮蜻x疫苗,以在人體中引起保護(hù)性反應(yīng)。未來的挑戰(zhàn)是,了解如何使用這些新的候選疫苗,來誘導(dǎo)一種保護(hù)性的、廣泛的中和抗體反應(yīng),并開發(fā)適當(dāng)?shù)姆桨敢l(fā)這個響應(yīng)。”

 

在今年4月份,TSRI的這個研究小組與中國疾病預(yù)防控制中心的科學(xué)家合作,在《Immunity》雜志描述了在一類有效對抗HIV的強(qiáng)大免疫分子中發(fā)現(xiàn)的一種前所未見的未成熟(“青少年”)抗體。

 

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