愛滋病（AIDS）困擾人類近 40 年，愛滋病患者和 I 型愛滋病病毒（HIV-1）感染者因藥物毒性、耐藥性、藥物無法完全清除 HIV-1 病毒儲藏庫、和停藥後 HIV-1 病毒載量反彈等因素而飽受折磨。
此外，HIV-1 較易變異，病毒包膜糖蛋白 EnV 表面高度糖基化和構象遮蔽阻止中和抗體表位識別，加之對 HIV-1 感染的免疫保護機制缺乏清晰認識等，至今尚無可供預防使用的有效愛滋病疫苗問世。
誘導機體產生能中和不同亞型 HIV-1 的廣譜中和抗體是愛滋病疫苗的重要目標。近年研究表明，在 HIV-1 自然感染過程中，部分感染者可產生針對膜蛋白保守區的廣譜中和抗體(broadly neutralizing antibodies, bNAbs）。bNAbs 一般在病毒感染後 2-3 年出現，能以極低濃度中和大部分愛滋病毒株。因此，對 bNAbs 的篩選分離、鑑定及 bNAbs 效應機制的探索是愛滋病疫苗研發的重要路徑。
隨著高通量中和抗體篩選和單克隆抗體分離技術飛速發展，科學家已從 HIV-1 感染者體內成功分離出上百種 bNAbs。對這些廣譜中和抗體的識別表位進行鑑定發現，HIV-1 病毒包膜糖蛋白上存在幾個主要的廣譜中和表位區，分別為病毒包膜蛋白 gp120 上保守的 CD4 結合位點（CD4bs）；V1V2 聚糖區（V1V2-glycan）；V3 聚糖區（V3-glycan）；gp120-gp41 交界面（gp120-gp41 interface）；gp41 上的近膜端外部區域（membrane proximal external region，MPER）。
HIV-1 廣譜中和抗體 bNAbs 結合位點
圖源：https://www.cell.com/cell-host-microbe/pdf/S1931-3128 (16) 30017-8.pdf
中國疾病預防控制中心愛滋病首席專家、南開大學愛滋病研究中心主任邵一鳴教授、美國 Scripps 研究所免疫學系和結構及計算生物學系主任朱江、Ian A. Wilson 研究團隊近日在Science Advances雜誌發表了題為A VH1-69 antibody lineage from an infected Chinese donor potently neutralizes HIV-1 by targeting the V3 glycan supersite的研究工作，報導了其分離自 HIV-1 感染患者的可有效中和 HIV-1 的兩種 bNAbs（438-B11 和 438-D5），為愛滋病疫苗研發提供了重要基礎。
研究團隊首先從編號為 CBJC438 的來自中國的一名愛滋病患者體內成功分離了 438-B11、438-D5 兩種 bNAbs。
編號 CBJC438 的患者 HIV-1 病毒載量 2005 年至 2012 年從 18,700 拷貝 / 毫升增加到 225,000 拷貝 / 毫升。於 2008 年，從 CBJC438 患者體內分離 438-B11、438-D5 兩種 bNAbs
圖片來源：Science Advances
血清中和試驗檢測表明，來自患者 CBJC438 體內的中和抗體具有較好的 HIV-1 中和能力。平均效價在 50 ~ 352 幾何平均滴度（GMT）之間。
2005 年到 2012 年的 7 個時間點，供體 CBJC438 血清的中和抗體活性
圖片來源：Science Advances
序列分析顯示 438-B11 和 438-D5 屬於同一克隆家族，重鏈為 IGHV1-69*01 等位基因，高水平體細胞高頻突變（somatic hypermutation, SHM）約佔 25%，含有 21 個胺基酸構成的免疫球蛋白重鏈第三互補決定區（HCDR3）；輕鏈為 IGKV3-20*01 等位基因，SHM 約佔 13%，含有 9 個胺基酸構成的免疫球蛋白輕鏈第三互補決定區（LCDR3）。
438-B11 和 438-D5 胺基酸序列分析
圖片來源：Science Advances
通過結構生物學分析，研究團隊證實 438-B11/D5 表位位於 gp120，而非上文提到的 V1V2 聚糖區及 gp120-gp41 交界面，並隨後解析了 438-B11 Fab 段結構，證實其可識別並結合 N332/ V3 聚糖區。
438-B11 的 HIV 結合表位定位
圖片來源：Science Advances
V3-glycan 廣譜中和表位主要是以 gp120 V3 上高度保守的 N332 糖基，以及 V3 基部胺基酸和鄰近糖基組成的構象性表位。結構生物學分析結果表明，相比於 CD4bs 廣譜中和抗體結合 Env 時被限制在一定角度，V3-glycan 廣譜中和抗體在結合 Env 時可能呈現出多種角度的結合方式。
438-B11/438-D5 的結構生物學解析
圖片來源：Science Advances
為探究 438-D5 和 438-B11 在 HIV 包膜蛋白 Env 識別過程中是否發生構象變化，研究團隊隨後分別在 2.05 Å 和 2.70 Å 的解析度下測定和解析了未結合形式的 438-B11 和 438-D5 的晶體結構，證實 HCDR 是 438-B11 和 438-D5 具有高效廣譜中和能力的結構基礎。此外，438-B11/D5 HCDR3 中的二硫鍵對 HCDR3 的構象剛性和通過「鎖 - 鑰匙」模式識別 HIV 包膜蛋白 Env 至關重要。
通過 NGS 技術，研究團隊進一步對 CBJC438 患者體內 B 細胞受體庫進行了長達 8 年的追蹤，通過對捕獲的 400 餘萬條抗體結果分析，證實了基因頻率、HCDR3 循環的長度隨時間的顯著變化。此外，IGHV1-69 出現的高頻率表明 438-B11/D5 譜系可能在 2008 年之前經歷了一次顯著的擴張，而這段時間恰好是 HIV-1 病毒載量最低的時間。
438-B11/D5 譜系發展的縱向分析
圖片來源：Science Advances
進一步，研究團隊調查快速進化的 438-B11/D5 譜系中的功能變異，發現不同時間點的多個變異均表現出相似中和效果，提示該 bNAb 系抗體功能對 HC 突變更為敏感，驗證了 438-B11/D5 亞型的功能，也證實了 438-B11/D5 對 HIV-1 包膜糖蛋白 Env 識別功能。
438-B11/D5 譜系中的進化和功能變異
圖片來源：Science Advances
利用單基因組擴增 (SGA) 策略分析 CBJC438 患者體內 HIV 病毒多樣性及病毒抗體共進化，揭示了在每個時間點上多個病毒亞群的出現和進化。此外，分析結果表明中和抗體 N332 聚糖在 438-B11/D5 識別 HIV-1 包膜蛋白 Env 中不可或缺的作用，也表明了其他聚糖和胺基酸的潛在參與。
小結
安全有效的愛滋病疫苗和實現功能性治癒是愛滋病治療尚待攻克的兩大難題。在抗擊愛滋病的艱難歷程中，人類從未停止科研探索的步伐，中和抗體作為最前沿的研究熱點之一被寄予厚望。2018 年，美國食品藥品管理局批准了首個廣譜中和抗體為抗 HIV 單克隆抗體藥物的研發產生巨大的推動。
從 HIV 患者體內篩選 HIV-1 廣譜中和抗體的關鍵胺基酸位點，分析來源不同時間序列節點的中和抗體胺基酸序列，對存在頻繁變異的關鍵胺基酸位點進行回復突變，比較突變前後的假病毒與自體血漿中和敏感性的差異，並通過縱向追蹤進行驗證篩選有效廣譜中和抗體，為愛滋病疫苗的研發提供了重要策略。