中國HLA-A、B位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)研究.pdf

1、表位疫苗(epitope vaccine)是用抗原表位制備的疫苗，它減少了疫苗毒副作用，提高了安全性，增強了免疫針對性，是目前研制感染性疾病和惡性腫瘤疫苗最有發(fā)展前景的方向。然而，由于HLA在人群中呈高度多態(tài)性，受特定HLA限制的表位疫苗通常不能在所有個體中引起預期的免疫反應。因此，對任何具有HLA基因多態(tài)性的目標群體而言，在研制表位疫苗時，設計同時攜帶多個目標抗原的多表位疫苗(multi-epitope vaccine)是非常必要的，

2、其每一表位對部分人群是有效的，精心組合的多表位疫苗可以被多種遺傳背景的HLA分子識別并結合，從而得到高效遞呈。但是，在設計針對特定目標人群的某種多表位疫苗時，必須充分考慮目標人群中的HLA多態(tài)性特征，設計出理論免疫應答水平高的多表位疫苗。目前國內外尚缺乏專門針對中國人群HLA分子的遺傳結構特征預測多表位疫苗的理論免疫應答率并據(jù)此設計多表位疫苗的研究。因此，研究基于中國人群HLA位點遺傳結構的多表位疫苗理論免疫預測系統(tǒng)，對指導疫苗學家設計

3、針對中國人群的高效多表位疫苗是非常必要的。研究表明中國人群遺傳結構往往具有空間異質性和空間結構性特征，傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法難以準確刻畫其內在規(guī)律性，必須采用空間遺傳學和空間統(tǒng)計學等學科方法結合進行研究。為此，本研究在地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)框架內，以國家基礎地理信息系統(tǒng)地名數(shù)據(jù)庫為基礎，將理論群體遺傳學、分子遺傳學、分子免疫學、空間遺傳學、空間統(tǒng)計學等多學科的理論方法相結合，針對中國

4、人群HLA位點的遺傳結構特征，構建了“中國HLA-A、B位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)”。旨在指導中國疫苗學家設計受HLA-A、B位點限制的多表位疫苗(包括DNA疫苗)，評價或預測根據(jù)不同HLA組分組合設計的多表位疫苗(或DNA疫苗)在中國各地人群中的免疫效果。預計該系統(tǒng)投入應用后，將具有廣闊的市場前景與眾多的用戶，將發(fā)揮其較大的經(jīng)濟效益和社會效益。全文由以下五章內容組成： 第一章多表位疫苗研制的分子免疫學基礎

5、：簡介了HLA的結構特征及其在表位疫苗免疫中的作用，重點介紹了HLA基因結構及其遺傳特點，HLA-I復合體基因表達產(chǎn)物。進而，詳述了與多表位疫苗研制有關的HLA復合體的免疫學功能以及HLA的分型規(guī)則及其對多表位疫苗研制的意義。此外，對表位疫苗研制的分子免疫學理論基礎進行了介紹，綜述了表位的篩選、鑒定方法以及表位疫苗的構建過程。 第二章資料來源與空間數(shù)據(jù)庫的建立：收集HLA-A、B位點的群體遺傳學資料，選擇HLA-A、B位點的血清

6、學特異性基因頻率數(shù)據(jù)、超型頻率數(shù)據(jù)以及單倍型頻率數(shù)據(jù)，構建中國人群HLA-A、B位點的群體遺傳學數(shù)據(jù)庫。以美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(environnlent system research institute，ESRI)研制的arcGIS9.0系統(tǒng)為工具，構建中國人群HLA位點空間遺傳學數(shù)據(jù)的管理與分析平臺。從而為進一步分析中國人群HLA位點的空間結構特征和構建“中國HLA-A、B位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)”奠定了基礎。

7、 第三章中國人群HLA-A、B位點的空間遺傳結構分析：在GIS框架內，采用主成分分析和典型趨勢面分析等方法對中國人群HLA-A、B位點的空間遺傳結構進行了定量分析，進而采用arcGIS9.0的空間分析模塊的反距離加權法對主成分分析和典型趨勢面分析的結果進行了空間預測，繪制反映中國人群HLA-A、B位點的空間遺傳結構特征的等值線圖，定量、直觀地反映了中國人群HLA-A、B位點的空間遺傳結構特征。研究結果顯示，中國人群HLA-A、B

8、位點遺傳結構呈現(xiàn)出明顯的空間異質性和空間結構性，其特點為：①總體趨勢表現(xiàn)為各地漢族與當?shù)厣贁?shù)民族在遺傳結構上相似，形成特定的空間結構區(qū)域，而南、北方漢族的遺傳結構卻相差甚遠，接近于南、北方少數(shù)民族的差異，形成了明顯的南、北方空間結構區(qū)域，自北向南形成了十分明顯的地理遺傳梯度變異性；②特定地理區(qū)域內漢族群體遺傳結構的空間異質性程度很低，呈現(xiàn)出明顯的結構化特征；③南方漢族與南方少數(shù)民族間地理隔離明顯，北方漢族與北方少數(shù)民族間地理隔離不明顯；

9、④北方少數(shù)民族人群遺傳結構的空間異質性程度低，呈現(xiàn)出明顯的結構化特征，南方少數(shù)民族人群的空間異質性程度高，內部結構復雜。這些研究結論提示：由于中國人群HLA-A、B位點血清型與超型的遺傳結構均呈現(xiàn)出高度空間異質性和空間結構性特征，在設計針對中國人群的多表位疫苗時，必須重視其HLA-A、B位點的遺傳多態(tài)性對疫苗免疫效果的影響。即中國疫苗學家在設計疫苗前，必須充分考慮其所研制的多表位疫苗在不同地區(qū)中的理論免疫效果。 第四章基于GIs

10、的中國HLA-A、B位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)的構建：本章在上述分析HLA-A、B位點空間遺傳結構特征的基礎上，進一步構建了基于GIS的中國HLA-A、B位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)。主要研究方法和技術路線：①構建了多表位疫苗設計的理論免疫應答率估算的數(shù)學模型；②根據(jù)數(shù)學模型，分別在血清型和超型水平上，編制計算任意組合疫苗組分的積累表型頻率(CPF)的計算程序，從血清型與超型數(shù)據(jù)庫中自動完成任何

11、疫苗組分的積累表型頻率(CPF)；③采用空間統(tǒng)計學方法，利用GIS的空間分析模塊，分析中國人群HLA-A、B位點限制性多表位疫苗組分CPF的空間分布特征，構建中國多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)；④提出針對中國人群的多表位疫苗設計策略；⑤在arcGIS9.0環(huán)境下實現(xiàn)CPF預測的程序化、標準化和可視化。 主要研究結論：①中國人群HLA-A、B位點限制性多表位疫苗組分CPF的空間分布呈現(xiàn)出明顯的空間異質性和空間結構性特點；②

12、采用區(qū)間分析法有效地預測了在缺乏單倍型數(shù)據(jù)時的多表位疫苗的免疫效果；③在條件許可時，設計針對中國人群的多表位疫苗，應盡量優(yōu)先選取HLA-A位點限制的表位；④HLA超型概念的提出，在一定程度上突破了HLA的限制性，簡化了多表位疫苗的設計工藝，本研究也對基于超型的理論免疫應答率進行了預測。 預測系統(tǒng)的意義和應用：所構建的“基于GIS的中國HLA-A、B位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測系統(tǒng)"，不僅可用于指導中國疫苗學家設計

13、HLA-A、B位點限制性多表位疫苗(包括DNA疫苗)，而且可用于評價或預測根據(jù)不同HLA-A、B組分組合設計的多表位疫苗(或DNA疫苗)在中國各地人群中的免疫效果。 第五章理論免疫應答率預測結果的網(wǎng)絡化展示：為了在網(wǎng)絡環(huán)境下，實現(xiàn)CPF預測結果的程序化、標準化和可視化，本章基于web平臺，利用ASP語言編寫了中國多表位疫苗理論免疫應答率空間預測結果的網(wǎng)絡展示系統(tǒng)，據(jù)此建立了“中國HLA位點限制性多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測

14、系統(tǒng)”網(wǎng)站。 網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要功能：①疫苗學家可以通過本網(wǎng)絡展示系統(tǒng)的系統(tǒng)查詢主頁面，查詢擬研究或評價的多表位疫苗的理論免疫應答率在中國不同地區(qū)人群中的理論免疫應答率空間預測等值線圖；②系統(tǒng)維護人員可以通過本系統(tǒng)的后臺管理主頁面快捷方便地實現(xiàn)網(wǎng)站的初始化設置以及維護升級；③網(wǎng)站為疫苗學家提供了豐富多彩的多表位疫苗設計的理論、方法知識，為他們提供了合作交流平臺；④實現(xiàn)了中國多表位疫苗設計的理論免疫應答率預測結果的網(wǎng)絡化發(fā)布；⑤滿足了