En viktig väg mot att skapa effektiva vacciner mot denguevirus och Zika involverar E-proteinet som täcker ytan på varje viral partikel. Om vi ​​kunde utveckla starka antikroppar mot detta E-protein, då skulle det vara kärnan i ett formidabelt vaccin – baserat på det viktiga faktum att de 180 E-proteinerna kommer i par. Men att skapa ett sådant vaccin har visat sig svårt av flera anledningar. Nu har UNC School of Medicine-forskare avgränsat detaljerna i en stor barriär för ett lovande vaccin. Det är något vi alla har — en naturlig kroppstemperatur på cirka 98,6 grader.

Tidigare studier i Aravinda de Silvas labb har visat att människor skapar starka antikroppar mot E-proteinet på virusytan, vilket tyder på att en löslig version av E-proteinet (kallat sRecE) skulle kunna göra ett bra vaccin. Tyvärr, än så länge har det inte lyckats, och vacciner baserade på sRecE har misslyckats. UNC-forskare ledda av Brian Kuhlman, Ph.D., professor i biokemi och biofysik, och Aravinda de Silva, Ph.D., professor i mikrobiologi och immunologi, har visat att kroppstemperatur minskar parningsbenägenheten hos sRecE och dess förmåga att kännas igen av dessa starka antikroppar.

Dessa fynd, publiceras i Journal of Biological Chemistry , tyder på att stabilisering av parningsbenägenheten hos sRecE kan vara avgörande för att skapa ett effektivt vaccin.

"Vi har visat hur vår naturliga kroppstemperatur undergräver sRecE-styrkan och hur framtida sRecE-baserad vaccinutveckling måste ta hänsyn till temperaturen från början, " sa UNC-studenten Stephan Kudlacek, den första författaren på JBC papper.

Efter decennier av intensiv forskning, utvecklingen av vaccin mot dengue- och zikavirus har haft begränsad framgång. Dessa myggburna flavivirus är ett stort folkhälsoproblem. Mer än 50 procent av världens befolkning är i riskzonen för infektion, hundratals miljoner människor är smittade, och en stor andel av dem möter allvarliga, försvagande symtom. Dengueinfektion kan leda till livshotande hemorragisk sjukdom. Under tiden, det senaste Zika-utbrottet har kopplat Zika-infektion till allvarliga neurologiska störningar, såsom mikrocefali hos spädbarn och Guillain-Barrés syndrom hos vuxna. Av dessa anledningar, vaccinutvecklingen har ökat för att skydda mot både dengue och zika.

Vaccinutveckling är utmanande eftersom det finns fyra olika serotyper eller "smaker" av dengue, och ett vaccin behöver ge lika skydd mot var och en av dem. Också, ett vaccin måste skapas så att det inte främjar immunsystemet att göra antikroppar som känner igen men inte kan neutralisera viruset. Om det händer, dengue och Zika kan använda dessa antikroppar för att infektera immunsystemets celler och göra infektionen allvarligare – detta kallas antikroppsberoende förbättring.

Detta inneboende problem är varför Dengvaxia – det enda licensierade vaccinet för denguefeber – nu endast rekommenderas för användning till personer med partiell immunitet mot denguefeber som erhållits från en tidigare dengueinfektion eftersom vaccinet verkar öka risken för allvarlig sjukdom när det används till personer som har aldrig varit utsatt för viruset, och vaccinet ger partiellt skydd mellan de olika dengue-serotyperna.

Ytan på dengue- och zikaviruspartiklar är strukturellt lika. Båda virusen är belagda med ett enda protein – kallat envelope (E) protein. Varje virus innehåller 180 kopior av E-proteinet på ytan, i par om två, kända som homodimerer. En löslig version av E-proteinet, kallas sRecE, kan bilda samma homodimerstruktur som observeras av E-proteiner på virusets yta. Dengue- och Zika-infekterade patienter utvecklar neutraliserande och skyddande antikroppar som riktar sig mot specifika regioner på E-proteinet som kallas epitoper. Denna kunskap har fått forskare att testa om E-proteinet eller sRecE kan fungera som effektiva vacciner. Tyvärr, sRecE-baserade vacciner har fungerat dåligt.

Andra forskare har upptäckt att många av de mest potenta neutraliserande antikropparna som isolerats från mänskliga patienter binder till epitoper som finns på E-proteinhomodimeren på virusets yta, medan de svagt neutraliserande antikropparna som främjar sjukdomsförstärkning binder till ett ställe på E-proteinmonomeren - en enda kopia av E-proteinet, känd som fusionsslingan. En speciell klass av de potenta antikropparna som kallas E Dimer Epitope (EDE) antikroppar känner på ett slående sätt igen en region av E-proteinet i både dengue och Zika. Dessa antikroppar kan neutralisera alla fyra dengue-serotyperna och Zika. Dessa upptäckter tyder på att för att skapa effektiva vacciner, det kommer att vara viktigt att konstruera antigener som presenterar dessa nyupptäckta dimerepitoper.

Dimer-specifika epitoper kan vara den mest enkla typen att skapa, om du använder rekombinanta proteiner som sRecE. Och det har föreslagits att sRecE-homodimerer kan fungera som effektiva vacciner.

Men studier har föreslagit att vår naturliga kroppstemperatur på 98,6 grader förändrar E-proteinets förmåga att para sig och bilda homodimerer på virusytan. Eftersom sRecE är ett lovande antigen för vaccinutveckling, och eftersom stabiliteten hos sRecE-homodimeren är viktig för att presentera dimerantikroppsepitoper såsom EDE för vaccination, Kuhlman och de Silvas labb försökte förstå hur temperaturen påverkar stabiliteten hos sRecE-proteinet och dess förmåga att bilda homodimerer.

"Vi använde ett antal biofysiska tekniker för att svara på dessa frågor." sa Kudlacek. "Som normalt sett, vi fann att kallare temperaturer hjälper till att hålla proteiner i sin ursprungliga eller aktiva struktur. På grund av detta, vi testade sedan för att se hur sRecE från tre dengue-serotyper och i Zika kan bilda homodimerer, som ses på ytan av viruset, i buffert vid rumstemperatur."

UNC-forskarna upptäckte att dengue och Zika sRecE bildar homodimerer vid rumstemperatur. "Men när vi gjorde experimentet vid fysiologisk temperatur [98?F], alla sRecEs – inklusive dengue serotyp 2 (DENV2) och Zika sRecE homodimerer – föll isär och blev monomerer. Detta resultat visade att de fysiologiska temperaturinducerade E-proteinförändringarna som observeras på virusytan också förekommer i sRecE." Ytterligare analys visade att förmågan för DENV2 sRecE att bilda homodimerer vid kroppstemperatur minskar 150 gånger jämfört med förmågan att bilda homodimerer vid rumstemperatur.

Forskarna undrade då:eftersom sRecE-dimerisering reduceras vid fysiologisk temperatur, kan antikroppar som specifikt känner igen E-dimeren binda till dengue och Zika sRecE vid fysiologisk temperatur? De testade detta och fann att homodimererna för dengue och Zika sRecE föll isär vid 98,6F, eliminerar således dimerepitoperna som finns i sRecE-homodimeren och reducerar antikroppsbindningen.

"Våra resultat visar att vid kroppstemperatur, förekomsten av dengue- och Zika sRecE-homodimerer minskar kraftigt, och närvaron av sRecE-monomer ökar, ", sa Kudlacek. "Detta ger en förklaring till varför tidigare sRecE-baserade vaccinstrategier har fungerat dåligt, eftersom kroppstemperatur gynnar monomer sRecE, på så sätt fokusera immunförsvaret på att generera mer svagt neutraliserande antikroppar, som kan leda till sjukdomsförstärkning, snarare än att producera potent neutraliserande dimerspecifika antikroppar."

För framtida sRecE-baserad vaccinutveckling, detta arbete tyder på att sRecE-homodimeren måste omkonstrueras för att vara stabil vid kroppstemperatur så att immunsystemet kan generera E-dimer-specifika antikroppar som är tillräckligt starka för att skydda mot sjukdom istället för att förstärka den.