近日，兰州兽医研究所口蹄疫防控技术团队在《Nature Communications》期刊上发表题为“Foot-and-mouth disease virus antigenic landscape and reduced immunogenicity elucidated in atomic detail”的研究论文。利用冷冻电镜和生物学实验阐释口蹄疫12S抗原在诱导保护性抗体方面效率较低的分子机制。
该研究基于12S（3.2 Å）及其与靶向病毒粒子内部的单域抗体M3F免疫复合物（3.2 Å）的高分辨率原子结构的解析。发现12S抗原表现出显著增加的曲率，顶部（结构蛋白VP1）更向外突出，边缘（结构蛋白VP2和VP3）更向内凹陷，可能是由于原本146S球面结构裂解导致亚单位12S缺乏几何约束。12S抗原的VP1和VP2 N端明显的大规模无序，并伴随VP4的丢失。在此基础上，进一步解析了146S与两种不同的146S特异性单域抗体（M678F和M688F）的复合物的高分辨率结构，确定M678F和M688F分别结合在靠近3次轴和5次轴顶点的位置，阻碍了VP1中RGD序列与整合素的相互作用。两个单域抗体采用不同的、与146S结合的特异性机制，M678F通过在3次轴处跨越两个相邻的五聚体来实现与146S的结合特异性。而M688F通过在5次轴顶点处跨越两个相邻的原体5S来实现与146S的结合特异性，该构象表位中因146S的解离导致曲率增加，改变了这些原体在5倍顶点处的距离。两种抗体通过稳定146S颗粒结构、产生RGD与整合素之间的空间位阻，实现对病毒中和效果，而且，两种抗体的协同中和效力比自身单独中和作用强50倍左右。
该研究进一步对FMDV 13个抗体-抗原复合物3D结构的聚类分析，重新绘制了146S的抗原位点图谱。新绘制的结构位点包括通过逃逸突变分析鉴定的已知抗原表位，并提示存在潜在的新抗原位点，可供后续研究。一些先前确定的5个抗原位点与该研究中指定的四类抗原位点相关。位点1主要是线性的且对胰蛋白酶敏感，包含VP1的GH环和C端，相当于该研究中的II类位点。除位点5外，位点2-5均为构象位点且对胰蛋白酶具有抗性。该研究不支持将位点1和5分开分类，这两个位点都涉及VP1的GH环。但是，位点 2、3和4分别对应于研究中的III、I和IV类位点。基于结构的位点分类还允许将非中和抗原位点映射到V类位点，而这是利用逃逸突变实验不能测定的。研究中基于结构的分类还可以分析针对血清中不同类别的单个表位的抗体反应，并显示使用146S和12S免疫诱导不同的抗体谱系。等剂量的12S和146S免疫两组猪后，12S组和146S组之间的总FMDV特异性抗体反应水平相似，表明12S效力降低不太可能归因于与146S之间颗粒大小的差异。通过比较146S和12S在猪体内的免疫原性，例如引起中和抗体效力差异和基于结构分类的五类抗体水平的差异，并结合结构抗原位点图谱的分析，发现146S的解离引发多种表位的结构改变和破坏，从而导致12S与146S诱导的抗体谱系显著不同，并显著削弱了12S的疫苗中和效力。由此确定了在以往的研究中，针对FMDV单个抗原表位和肽疫苗在靶动物中表现出不太理想的保护效果的原因。
中国农业科学院兰州兽医研究所孙世琪研究员、郭慧琛研究员和中国科学院生物物理所王祥喜研究员为论文的通讯作者，中国农业科学院兰州兽医研究所博士生李昊洲、董虎博士和中国科学院生物物理所博士生刘攀为论文第一作者。该研究是我所迄今为止，在口蹄疫研究方面发表的影响力最高的论文，获得了国家十四五重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。
