《Infection, Genetics and Evolution》：Evolutionary dynamics of epitopes of limited variability on the head of influenza H1 haemagglutinin
编辑推荐：
本研究聚焦流感疫苗研发的核心难题——病毒高变异导致的免疫逃逸。通过整合蛋白序列与结构生物信息学分析，研究团队首次系统绘制了A型流感病毒H1亚型血凝素（HA）头部的“有限变异表位（ELVs）”图谱。研究发现，HA头部可视为可变区域（VRs）的嵌合体，抗体结合位点（ABS）的变异度由其“足迹”所覆盖的VRs数量决定，而非特定区域固有的进化熵。这一新框架揭示了即使在高变异的HA头部，仍存在因结构相对独立而变异有限的天然保护性表位（如OREO）。该成果不仅为解释流感病毒进化动力学提供了新视角，更为研发以ELVs为靶点、具有广谱保护潜力的“通用”流感疫苗奠定了关键理论基础。
每年，流感在全球造成数十万人死亡，其中老年人是高危人群。尽管有疫苗，但由于流感病毒表面的关键蛋白——血凝素（Hemagglutinin, HA）的头部区域高度变异，病毒能够轻易逃逸人体免疫系统的识别，导致疫苗有效性时常不尽如人意。为了应对这一挑战，科学家们一直致力于开发一种能够抵御多种乃至全部流感病毒株的“通用”流感疫苗。传统思路是寻找病毒上完全不变的、高度保守的区域作为靶点。然而，一个有趣的问题由此产生：难道所有能够被人体天然免疫系统有效识别并攻击的靶点（即天然保护性表位），都必须是高度可变的吗？或者说，在HA这个看似“变幻莫测”的头部，是否存在一些虽然也会变异，但变异形式有限、依然能激发有效且广泛免疫反应的“宝地”呢？发表在《Infection, Genetics and Evolution》上的一项新研究，为这个问题带来了颠覆性的见解。
该研究首先挑战了一个普遍假设，即所有具有天然保护性的免疫靶点都必须是高度可变的。研究人员认为，驱动流感进化的主要力量，恰恰是针对那些“有限变异表位（Epitopes of Limited Variability, ELVs）”的免疫反应。他们此前已在H1亚型HA头部鉴定出一个这样的ELV，名为OREO，这为研发通用疫苗带来了曙光。本研究在此基础上更进一步，旨在系统性地“绘制”H1 HA头部所有可能的ELVs，并揭示它们为何能在高度变异的背景下保持有限变异。
研究人员采用了结构生物信息学的方法来探索这一问题。他们从蛋白质数据库（RCSB PDB）和AlphaFold2模型中获取了包括1918年、1934年、2006年、2009年等多个代表性历史及当代流感病毒株的HA蛋白晶体结构。利用溶剂可及表面积（SASA）分析量化每个氨基酸残基在结构表面的可及性。随后，他们以每个残基的α-碳原子为中心，模拟了不同直径（如500、800、1000 ?）的球形区域作为“抗体结合位点（Antibody Binding Site, ABS）”，并识别落入其中的所有残基。通过分析从1918年至2024年（数据来源为GenBank）代表性病毒株的HA序列，研究人员根据氨基酸电荷和极性的变化，定义了HA头部的“可变区域（Variable Regions, VRs）”。最终，通过结合ABS分析和VRs图谱，在最小化单个ABS所覆盖的VRs数量这一启发式原则下，识别出潜在的ELVs。
2.1. H1血凝素中的OREO表位是由两个可变区域VR1和VR2组成的嵌合体
研究人员以已知的OREO表位（线性编号146-159位）为例展开分析。他们发现，OREO并非一个单一整体，而是由两个在序列和结构上被一个保守区域隔开的可变组件构成的嵌合体，分别称为VR1（包含残基146和147）和VR2（包含残基154-158）。VR1和VR2各自有约4种亚型，OREO的变异范围则由VR1和VR2亚型的组合决定。这一发现解释了为何针对不同OREO变体（如红色和绿色）的疫苗能在小鼠实验中引发交叉保护——因为免疫系统可能识别的是这两个VRs的单独或组合形式。
2.2. VR2构成了与多种表位相关的独立多样性区域
进一步分析表明，VR2是一个在结构上相对独立的可变区域，其两侧是保守序列。因此，以VR2为中心的抗体结合位点，即使其足迹（footprint）较大，也倾向于保持较低的变异性。研究展示了多个包含VR2的表位，例如：
- •
MAIZ：仅包含VR2，是变异性极低的ELV。
- •
OREO：包含VR1和VR2，通过一个不变区域连接，是有限变异的ELV。
- •
MIEZ：包含VR2及位于68和71位的另外两个可变残基，也属于ELV。
- •
EHV1, EHV2, EHV3：除了包含VR2和VR1，还涵盖了其他多个可变区域的残基，因此表现出高变异性。
2.3. 抗体结合位点（ABS）的变异性由其足迹内包含的可变区域（VR）数量决定
研究提出了一个核心新框架：表位的变异性主要取决于其抗体结合“足迹”所覆盖的可变残基（即VRs）的数量，而非任何单个区域固有的进化熵。ELVs倾向于围绕那些在空间上与其他VRs隔离的VRs形成，例如结构上相对孤立的VR2。相反，如果一个VR（如图3中红色标记的VR）与其他VRs（如蓝色、黄色）在空间上非常接近，那么任何覆盖它的抗体结合位点很可能也会同时包含邻近的VRs，从而导致高变异性。研究人员据此识别出了多个ELVs，包括围绕VR2的OREO、MAIZ、MIEZ，以及主要包含深绿色VR的INDY、主要包含蓝色VR的RYEL，和包含两个相邻粉红色VRs的PIGG。
该研究的结论与讨论部分强调了其重要理论和应用意义。首先，它挑战了“低变异性等同于低免疫原性或弱保护性”的传统观念。研究表明，ELVs（如OREO）同样具有强保护性，并承受着强大的免疫选择压力。其有限的变异性源于其结构上的“孤立性”——抗体结合位点难以在不引入其他VRs的情况下覆盖它们。因此，一个ELV在免疫压力下，只会在其有限的几种亚型构象中循环，如OREO的变异在历史毒株中周期性重现所展示的那样。这解释了为何早期研究中针对Ca位点（包含VR2）的抗体在体外具有高中和活性，但该位点却“漂移”甚少——是结构而非选择压力本身限制了其变异能力。
其次，这项研究为通用流感疫苗的设计提供了革命性的新策略。传统的通用疫苗思路多聚焦于诱导针对非天然保护性或极少在感染中产生的、高度保守的靶点（如HA茎部或内部抗原）。而本研究指出，瞄准HA头部的这些天然保护性但变异有限的ELVs，是更具潜力的途径。这利用了人体已有的天然免疫基础，而非强行激发不常见的免疫反应。例如，针对OREO这样的ELV进行多价疫苗（如使用其几种主要亚型）或通过初免-加强策略聚焦免疫应答，可能产生持久且广谱的保护力。已有动物实验证据支持这一观点，例如接种含有蓝色OREO变体的1918样毒株，能对含有相同变体的2009年H1N1毒株提供与同源接种相当的保护。
总之，这项研究通过将HA头部解构为可变区域的嵌合体，建立了理解流感病毒抗原进化的新框架。它首次系统性地绘制了H1 HA头部的ELVs图谱，并阐明其形成的结构基础——抗体结合位点的变异性由其覆盖的VRs数量决定。这一发现不仅深化了我们对流感免疫逃逸和进化动力学的理解，更重要的是，它开辟了一条基于天然保护性、有限变异表位来开发高效、广谱流感疫苗的全新道路，为最终攻克流感疫苗需要逐年更新的难题带来了关键希望。
