中国HLA-A、B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统研究

【摘要】：表位疫苗(epitope vaccine)是用抗原表位制备的疫苗,它减少了疫苗毒副作用,提高了安全性,增强了免疫针对性,是目前研制感染性疾病和恶性肿瘤疫苗最有发展前景的方向。然而,由于HLA在人群中呈高度多态性,受特定HLA限制的表位疫苗通常不能在所有个体中引起预期的免疫反应。因此,对任何具有HLA基因多态性的目标群体而言,在研制表位疫苗时,设计同时携带多个目标抗原的多表位疫苗(multi-epitope vaccine)是非常必要的,其每一表位对部分人群是有效的,精心组合的多表位疫苗可以被多种遗传背景的HLA分子识别并结合,从而得到高效递呈。但是,在设计针对特定目标人群的某种多表位疫苗时,必须充分考虑目标人群中的HLA多态性特征,设计出理论免疫应答水平高的多表位疫苗。目前国内外尚缺乏专门针对中国人群HLA分子的遗传结构特征预测多表位疫苗的理论免疫应答率并据此设计多表位疫苗的研究。因此,研究基于中国人群HLA位点遗传结构的多表位疫苗理论免疫预测系统,对指导疫苗学家设计针对中国人群的高效多表位疫苗是非常必要的。研究表明中国人群遗传结构往往具有空间异质性和空间结构性特征,传统的统计学方法难以准确刻画其内在规律性,必须采用空间遗传学和空间统计学等学科方法结合进行研究。为此,本研究在地理信息系统(geographic information system,GIS)框架内,以国家基础地理信息系统地名数据库为基础,将理论群体遗传学、分子遗传学、分子免疫学、空间遗传学、空间统计学等多学科的理论方法相结合,针对中国人群HLA位点的遗传结构特征,构建了“中国HLA-A、B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统”。旨在指导中国疫苗学家设计受HLA-A、B位点限制的多表位疫苗(包括DNA疫苗),评价或预测根据不同HLA组分组合设计的多表位疫苗(或DNA疫苗)在中国各地人群中的免疫效果。预计该系统投入应用后,将具有广阔的市场前景与众多的用户,将发挥其较大的经济效益和社会效益。全文由以下五章内容组成: 第一章多表位疫苗研制的分子免疫学基础:简介了HLA的结构特征及其在表位疫苗免疫中的作用,重点介绍了HLA基因结构及其遗传特点,HLA-Ⅰ复合体基因表达产物。进而,详述了与多表位疫苗研制有关的HLA复合体的免疫学功能以及HLA的分型规则及其对多表位疫苗研制的意义。此外,对表位疫苗研制的分子免疫学理论基础进行了介绍,综述了表位的筛选、鉴定方法以及表位疫苗的构建过程。 第二章资料来源与空间数据库的建立:收集HLA-A、B位点的群体遗传学资料,选择HLA-A、B位点的血清学特异性基因频率数据、超型频率数据以及单倍型频率数据,构建中国人群HLA-A、B位点的群体遗传学数据库。以美国环境系统研究所(environment system research institute,ESRI)研制的arcGIS9.0系统为工具,构建中国人群HLA位点空间遗传学数据的管理与分析平台。从而为进一步分析中国人群HLA位点的空间结构特征和构建“中国HLA-A、B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统”奠定了基础。 第三章中国人群HLA-A、B位点的空间遗传结构分析:在GIS框架内,采用主成分分析和典型趋势面分析等方法对中国人群HLA-A、B位点的空间遗传结构进行了定量分析,进而采用arcGIS9.0的空间分析模块的反距离加权法对主成分分析和典型趋势面分析的结果进行了空间预测,绘制反映中国人群HLA-A、B位点的空间遗传结构特征的等值线图,定量、直观地反映了中国人群HLA-A、B位点的空间遗传结构特征。研究结果显示,中国人群HLA-A、B位点遗传结构呈现出明显的空间异质性和空间结构性,其特点为:①总体趋势表现为各地汉族与当地少数民族在遗传结构上相似,形成特定的空间结构区域,而南、北方汉族的遗传结构却相差甚远,接近于南、北方少数民族的差异,形成了明显的南、北方空间结构区域,自北向南形成了十分明显的地理遗传梯度变异性;②特定地理区域内汉族群体遗传结构的空间异质性程度很低,呈现出明显的结构化特征;③南方汉族与南方少数民族间地理隔离明显,北方汉族与北方少数民族间地理隔离不明显;④北方少数民族人群遗传结构的空间异质性程度低,呈现出明显的结构化特征,南方少数民族人群的空间异质性程度高,内部结构复杂。这些研究结论提示:由于中国人群HLA-A、B位点血清型与超型的遗传结构均呈现出高度空间异质性和空间结构性特征,在设计针对中国人群的多表位疫苗时,必须重视其HLA-A、B位点的遗传多态性对疫苗免疫效果的影响。即中国疫苗学家在设计疫苗前,必须充分考虑其所研制的多表位疫苗在不同地区中的理论免疫效果。 第四章基于GIS的中国HLA-A、B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统的构建:本章在上述分析HLA-A、B位点空间遗传结构特征的基础上,进一步构建了基于GIS的中国HLA-A、B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统。 主要研究方法和技术路线:①构建了多表位疫苗设计的理论免疫应答率估算的数学模型;②根据数学模型,分别在血清型和超型水平上,编制计算任意组合疫苗组分的积累表型频率(CPF)的计算程序,从血清型与超型数据库中自动完成任何疫苗组分的积累表型频率(CPF);③采用空间统计学方法,利用GIS的空间分析模块,分析中国人群HLA-A、B位点限制性多表位疫苗组分CPF的空间分布特征,构建中国多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统;④提出针对中国人群的多表位疫苗设计策略;⑤在arcGIS 9.0环境下实现CPF预测的程序化、标准化和可视化。 主要研究结论:①中国人群HLA-A、B位点限制性多表位疫苗组分CPF的空间分布呈现出明显的空间异质性和空间结构性特点;②采用区间分析法有效地预测了在缺乏单倍型数据时的多表位疫苗的免疫效果;③在条件许可时,设计针对中国人群的多表位疫苗,应尽量优先选取HLA-A位点限制的表位;④HLA超型概念的提出,在一定程度上突破了HLA的限制性,简化了多表位疫苗的设计工艺,本研究也对基于超型的理论免疫应答率进行了预测。 预测系统的意义和应用:所构建的“基于GIS的中国HLA-A、B位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统”,不仅可用于指导中国疫苗学家设计HLA-A、B位点限制性多表位疫苗(包括DNA疫苗),而且可用于评价或预测根据不同HLA-A、B组分组合设计的多表位疫苗(或DNA疫苗)在中国各地人群中的免疫效果。 第五章理论免疫应答率预测结果的网络化展示:为了在网络环境下,实现CPF预测结果的程序化、标准化和可视化,本章基于web平台,利用ASP语言编写了中国多表位疫苗理论免疫应答率空间预测结果的网络展示系统,据此建立了“中国HLA位点限制性多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测系统”网站。 网络系统的主要功能:①疫苗学家可以通过本网络展示系统的系统查询主页面,查询拟研究或评价的多表位疫苗的理论免疫应答率在中国不同地区人群中的理论免疫应答率空间预测等值线图;②系统维护人员可以通过本系统的后台管理主页面快捷方便地实现网站的初始化设置以及维护升级;③网站为疫苗学家提供了丰富多彩的多表位疫苗设计的理论、方法知识,为他们提供了合作交流平台;④实现了中国多表位疫苗设计的理论免疫应答率预测结果的网络化发布;⑤满足了中国疫苗学家查询针对中国人群的任何组分的HLA位点限制性多表位疫苗在任何中国人群中的理论免疫应答率的需求。