调控细胞内核酸处理过程以增强球形核酸的免疫刺激作用

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Controlling intracellular processing to enhance spherical nucleic acid immune stimulation

疫苗设计中通过spherical nucleic acids（SNAs）的模块化结构调控抗原处理效率，利用ERAP1酶的底物特异性和亚细胞定位，开发两种肽链连接器（EPLs）使抗原释放效率差异达10倍。实验表明，高效EPL（LAMM）增强抗原表面呈现30%，促进CD8+ T细胞增殖5倍，并显著抑制肿瘤生长（2.5倍效果）。结构设计可定向调控抗原处理路径与效率，为疫苗开发提供新策略。

　　疫苗的有效性取决于其成分在免疫细胞内的高效加工和呈现。为了激发强大的免疫反应，抗原必须被特定的酶在适当的细胞器中进行处理，以确保其能够被呈现在主要组织相容性复合体I类（MHC I）分子上，从而激活T细胞。本文研究了一种基于球形核酸（SNA）结构的疫苗设计策略，通过调控抗原在细胞内的加工路径和效率，来增强免疫应答和抗肿瘤效果。研究重点在于一种名为ERAP1的酶，它在内质网（ER）中发挥重要作用，负责在抗原装载到MHC I之前进行最终的切割和修饰。

ERAP1是一种氨基肽酶，能够对N端延伸的抗原前体进行切割，从而产生适合MHC I呈递的短肽片段。其作用机制涉及识别特定的氨基酸序列，并根据这些序列的结构特性进行高效的切割。因此，ERAP1的底物特异性使其成为一种理想的工具，用于调控抗原加工路径和效率。研究团队利用这一特性，设计了两种ERAP1响应型肽连接子（EPLs），即Leu-Ala-Met-Met（LAMM）和Leu-Ala-Lys-Lys（LAKK）。这些连接子被用于将抗原连接到SNA结构上，从而引导抗原向ERAP1所在的位置进行运输，并提高其被切割的效率。

研究发现，这两种EPLs在ERAP1的加工效率上存在显著差异。LAMM连接子相较于LAKK连接子，能够更有效地促进抗原的释放和加工，导致SIINFEKL（一种CD8+ T细胞特异性抗原）的生成量增加了10倍。这一差异不仅体现在体外实验中，也体现在体内实验中。使用LAMM连接子的SNA结构能够显著提高抗原在MHC I上的表面呈现效率，从而促进CD8+ T细胞的增殖和活化。此外，LAMM SNA在体内实验中表现出更强的抗肿瘤效果，能够更有效地抑制E.G7-OVA淋巴瘤的生长。

研究还通过共聚焦显微镜观察了抗原在细胞内的运输路径。结果显示，包含LAMM连接子的SNA结构在体内能够更长时间地与ERAP1共定位，而LAKK连接子则表现出较短的共定位时间。这一现象说明，LAMM连接子能够更有效地引导抗原进入ERAP1所在的内质网，从而实现更高效的加工和呈现。此外，通过抑制不同酶的活性，研究团队进一步验证了ERAP1在抗原加工中的关键作用。例如，当ERAP1被抑制时，LAMM SNA诱导的抗原呈现效率显著下降，这表明抗原的加工路径确实受到ERAP1的调控。

在体内免疫刺激和抗肿瘤研究中，LAMM SNA展现出更强的免疫激活能力。与LAKK SNA相比，LAMM SNA能够显著提高CD8+ T细胞的裂解活性和效应记忆表型的比例。这些效应记忆T细胞在体内具有更强的持续抗肿瘤能力，能够更有效地识别和清除肿瘤细胞。同时，LAMM SNA在体内表现出更强的抗肿瘤效果，能够显著抑制肿瘤的生长速度，甚至在某些情况下实现肿瘤体积的大幅减少。这一发现进一步证明了通过调控抗原加工路径和效率，可以显著增强疫苗的免疫应答和抗肿瘤效果。

研究还探讨了抗原加工效率与T细胞激活之间的关系。通过体外实验，研究团队发现LAMM SNA能够更有效地促进CD8+ T细胞的增殖，且所需的抗原浓度更低，表明其具有更高的免疫激活效率。这种效率的提升可能与抗原在MHC I上的更高效呈现有关，因为CD8+ T细胞需要与呈递抗原的MHC I分子结合才能被激活。因此，通过优化抗原与SNA之间的连接子设计，可以显著提高抗原的呈现效率，从而增强T细胞的激活和增殖。

此外，研究团队还测试了EPLs在不同抗原中的适用性。例如，将LAMM连接子应用于gp100（一种与黑色素瘤相关的抗原）时，同样观察到了显著的抗原加工效率提升和T细胞增殖增强的效果。这表明，这种基于ERAP1响应的连接子设计具有广泛的应用前景，不仅适用于SIINFEKL，还可以推广到其他类型的抗原，从而提升多种疫苗的有效性。

研究还强调了疫苗结构设计在免疫调控中的重要性。传统的疫苗设计通常关注抗原的释放速率和免疫刺激的强度，但本文提出了一种新的思路，即通过调控抗原在细胞内的加工路径和效率，来增强免疫反应。这种结构优化策略不仅提高了抗原的加工效率，还通过延长抗原与ERAP1的共定位时间，增强了其在细胞内的稳定性，从而提高了抗原的表面呈现效率和T细胞的激活能力。

总体而言，本文的研究成果为疫苗设计提供了新的思路。通过利用ERAP1的底物特异性，研究团队设计了一种能够有效调控抗原加工路径和效率的连接子系统。这种结构优化策略不仅能够提高抗原的表面呈现效率，还能够增强CD8+ T细胞的增殖和活化，从而提升疫苗的免疫刺激能力和抗肿瘤效果。此外，该研究还强调了在疫苗设计中，考虑抗原的加工路径和效率的重要性，为未来的疫苗开发提供了理论支持和实践指导。通过这一策略，科学家可以更精确地调控疫苗的结构，从而实现更高效的免疫应答和更强的抗肿瘤效果。