McLellans arbete avgörande för de nya vaccinernas utveckling

Nobelpriset i fysiologi eller medi­cin 2023 gick mycket förtjänstfullt till Katalin Karikó och Drew Weissman för deras upptäckter rörande nukleosidbasmodifieringar, vilket lade grunden till de framgångsrika mRNA-vacci­nerna mot covid-19. Men vad som är mind­re känt, och inte har uppmärk­sammats lika mycket, är att vaccinerna även består av ett unikt kemiskt stabiliserat fusionsprotein (F-protein), vilket är helt avgörande för stimuleringen av neutraliserande antikroppar mot sars-cov-2 och även i de nya vaccinerna mot respiratoriskt syncytialvirus (RS-virus).

Höljeförsedda virus inkluderar många viktiga humana virus, till exempel sars-cov-2 och RS-virus. Ett kritiskt steg vid infektionen av målcellen för dessa virus är fusionen av ett ytprotein på virusets utsida och cellens yttermembran. Denna process resulterar i att fusionsproteiner genomgår ett antal strukturella förändringar, som möjliggör upptaget av virus och infektionen av cellen.

Misslyckade RS-virusvaccinstudier

Försöken att begränsa RS-sjukdom med vacciner började i mitten av 1960-talet med ett formalininaktiverat helvirusvaccin. Förlagan var det formalininaktiverade poliovirusvaccinet, utvecklat av Jonas Salk i USA och vidareutvecklat av Sven Gard i Sverige. Vintern 1966–67 inträffade ett stort RS-virusutbrott i USA. Bland 31 vaccinerade nyfödda insjuknade 20, 16 krävde sjukhusvård och 2 avled [1]. Denna tragedi satte stopp för utvecklingen av RS-virusvaccin. 

Efter nästan 30 års arbete med att klarlägga immunologiska egenskaper inleddes ånyo vaccinutveckling, nu med nya vaccinkandidater, men tyvärr utan någon större framgång. In vitro-studier antydde i stället att antikroppar specifika för »prefusionsstrukturen« hos F-proteinet (pre-F) kan vara ansvariga för majoriteten av de neutraliserande antikropparna. Sammantaget antydde flera studier att strukturen hos F-proteinet kan vara en nyckelfaktor för antigeniciteten, det vill säga i förmågan att stimulera ett antikroppssvar [2].

Fusionsproteinets struktur löste gåtan med RS-virusvaccinet

Problemet med de tidiga vaccinstudierna var således att F-proteinet, som inducerar neutraliserande och därmed skyddande antikroppar, var väldigt instabilt och lätt svängande från en konformation till en annan, och det var bara i en enda speci­fik konformation, känd som »prefusion«, som proteinet exponerade de viktiga proteinstrukturerna som inducerar stora mängder neutraliserande antikroppar. När väl F-proteinet är i »postfusionstillstånd« är dessa strukturer dolda, och immunisering med proteinet i den formen ger inga eller mycket låga mängder av neutraliserande antikroppar.

Ett mycket stort genombrott gjordes 2013 av Jason McLellan och kolleger [3], som för första gången använde kunskap om strukturen hos F-proteinet för att utveckla ett RS-virusvaccin. För att konstruera F-proteinet som ett vaccin behövde forskarna »låsa in« F-proteinet i »prefusionskonformation«. Teamet inledde ett stort proteintekniskt arbete för att skapa mer än 100 varianter av F-proteinet och hitta modifieringar som stabiliserade prefusionsformen. 

McLellan fann att utbyte av två serin-aminosyror mot cysteiner introducerade en svavelbindning som, liksom tejp, hjälpte till att hålla proteinet på plats. Forskarna gjorde det ännu stabilare med en andra modifiering genom att ersätta två aminosyror med hydrofoba aminosyror. 

Jason McLellan är strukturbiolog, verksam vid universitetet i Austin, Texas, USA, och studerar strukturen och funktionen hos virusproteiner, inklusive dem hos corona- och RS-virus. För sitt banbrytande arbete att strukturbestämma glykoproteiner som tillämpas vid vaccindesign har McLellan belönats med ett otal priser, inklusive den amerikanska vetenskapsakademins (National Academy of Sciences) pris. Varje år korar redaktörerna för tidskriften Science de största vetenskapliga genombrotten. Jason McLellan var en av dem som i Science belönades för 2013 års vetenskapliga upptäckt. Redaktörerna skrev: »For decades, researchers have hoped that structural biology – the near-atom-level study of the molecules that make up living organisms – would help them design better vaccines. This year, they finally found convincing proof that the approach can deliver big-time payoffs.« 

Sars-cov-2-vacciner innehåller spikprotein i pre-F-läge

Efter att McLellan 2013 publicerat sina resultat om fusionsproteinstrukturen hos RS-virus började han leta efter ett annat virus att rikta in sig på. Samma år informerades världen om ett utbrott i Mellanöstern av ett dödligt nytt coronavirus som orsakade luftvägssyndrom, allmänt känt som mers-cov (Middle East respiratory syndrome coronavirus). McLellan uppmärksammade detta och strukturbestämde snabbt spikproteinet på mers-cov, vilket efter immunisering visade sig effektivt stimulera till höga neutraliserande antikroppstitrar [5]. 

Mers-cov skapade tack och lov aldrig någon pandemi, och intresset för ett vaccin mot mers-cov avtog.

I januari 2020 nåddes forskarsamhället av nyheten om ett nytt coronavirus, sars-cov-2, som McLellans grupp snabbt tog sig an efter att det nya virusets genom rapporterats. Kunskapen om mers-cov hjälpte forskarna att bestämma strukturen och modifiera F-proteinet hos sars-cov-2.

McLellans forskargrupp introducerade flera modifieringar som skulle kunna stabilisera spikproteinet. Efter flera modifieringar upptäcktes att 6 prolinsubstitutioner leder till cirka 10 gånger högre uttryck än den omodifierade formen. Dessutom kan den modifierade pre-F-strukturen motstå lagring i rumstemperatur. Kryomikroskopiska studier bekräftade att den bibehåller prefusionskonformation [6]. Genom att använda elektronmikroskopi och röntgenkristallografi lyckades McLellan för första gången fånga en bild av pre-F-proteinet. Forskningen lade grunden för sars-cov-2-vaccinerna från Pfizer/Biontech, Moderna, Johnson & Johnson och Novavax, som alla kodar för pre-F-proteinet [4].

Nya RS-virusvacciner

Baserat på McLellans upptäcker om fusionsproteiners struktur och antigenicitet godkändes under 2023 flera effektiva RS-virusvacciner som använder sig av F-proteinet i »prefusionläge«. En helt ny modell för att utveckla framtidavacciner, kallad strukturbaserad vaccindesign [4], hade sett dagens ljus. Exempel på godkända RS-virusvacciner är RSVPreF3 (Arexvy, GSK) och RSVpreF (Abrysvo, Pfizer). Under klinisk prövning är också mRNA-baserade RS-virusvacciner som alla använder sig av F-proteinet i prefusionskonformation.

Exceptionella bidrag till folkhälsan och medicinen

Jason McLellans strukturella studier av F-proteiner på sars-cov-2 och RS-virus förklarade hur F-proteinet måste vara utformat för att kunna inducera neutraliserande antikroppar. Han har banat väg för användningen av strukturer med atomupplösning för att vägleda utformningen av effek­tiva vacciner och skapat ett helt nytt vaccinfält [4]. 

Genom sitt banbrytande arbete inom strukturbiologi på virala glyko­proteiner som tillämpats på vaccin­design har Jason McLellan gjort exceptionella bidrag till folkhälsan och medi­cinen, och hans arbete har varit helt avgörande för utvecklingen av de framgångsrika vaccinerna mot sars-cov-2 och RS-virus.