Разработка мультиэпитопной вакцины против SARS-CoV-2: иммуноинформатический подход
- Авторы: Аламдари-Паланги В.1, Деган З.1, Киан М.1, Зонар С.2, Фаллахи Д.1, Сисахт М.1, Хадже С.1, Разбан В.1
-
Учреждения:
- Ширазский университет медицинских наук
- Исламский университет Азад
- Выпуск: Том 15, № 2 (2025)
- Страницы: 319-328
- Раздел: ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
- URL: https://journals.rcsi.science/2220-7619/article/view/311319
- DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-DAM-17622
- ID: 311319
Цитировать
Полный текст
Аннотация
История вопроса. Вспышка SARS-CoV-2-инфекции в 2019 г. стала серьезным вызовом для общественного здравоохранения. В условиях пандемии тем более актуальной и необходимой была быстрая идентификация иммунных эпитопов для разработки эффективной вакцины против различных вариантов SARS-CoV-2. Рациональный и точный дизайн вакцины, особенно идентификация вакцинных антигенов и их оптимизация с помощью методов биоинформатики in silico, структурной биологии и иммуноинформатики, имели решающее значение. Целью настоящего исследования была разработка новой и эффективной вакцины, которая может содержать эпитопы В- и Т-клеток, с использованием подходов и ресурсов биоинформатики для борьбы с инфекцией SARS-CoV-2.
Материалы и методы. Варианты S-белка SARS-CoV-2 (штаммы альфа, бета, дельта и омикрон) были выбраны для разработки вакцины и предсказания эпитопов, индуцирующих В-клетки, Т-клетки и продукцию IFNg. Белок бета-дефензин-3 был выбран в качестве адъюванта, а предсказанные эпитопы были связаны с использованием разных линкеров. Для формирования окончательной конструкции были изучены аллергенность, антигенность, физико-химические характеристики вакцины, выполнено моделирование 2D- и 3D-структуры и проведена оценка молекулярного связывания.
Результаты. Результаты in silico анализа показали, что мультиэпитопная вакцина имеет стабильную структуру и может индуцировать гуморальный и клеточный иммунный ответ против вируса SARS-CoV-2.
Выводы. Были идентифицированы В-клеточные и Т-клеточные эпитопы спайкового белка вируса SARS-CoV-2, рекомендованные для разработки и подтверждения эффективности in vivo мультиэпитопных пептидов в качестве вакцин против вируса SARS-CoV-2.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
В. Аламдари-Паланги
Ширазский университет медицинских наук
Email: razban_vahid@yahoo.com
магистр, аспирант, кафедра молекулярной медицины
Иран, ШиразЗ. Деган
Ширазский университет медицинских наук
Email: razban_vahid@yahoo.com
кандидат наук, научный сотрудник кафедры сравнительных биомедицинских наук, Школа передовых медицинских наук и технологий
Иран, ШиразМ. Киан
Ширазский университет медицинских наук
Email: razban_vahid@yahoo.com
доктор ветеринарной медицины, аспирант, кафедра сравнительных биомедицинских наук, Школа передовых медицинских наук и технологий
Иран, ШиразС. Зонар
Исламский университет Азад
Email: razban_vahid@yahoo.com
магистр, научный сотрудник, кафедра биологии, отделение наук и исследований
Иран, ТегеранДж. Фаллахи
Ширазский университет медицинских наук
Email: razban_vahid@yahoo.com
кандидат наук, доцент, кафедра молекулярной медицины, Школа передовых медицинских наук и технологий
Иран, ШиразМ. Сисахт
Ширазский университет медицинских наук
Email: razban_vahid@yahoo.com
кандидат наук, научный сотрудник, кафедра молекулярной медицины, Школа передовых медицинских наук и технологий
Иран, ШиразС. Хадже
Ширазский университет медицинских наук
Email: razban_vahid@yahoo.com
кандидат наук, доцент, Центр исследований заболеваний костей и суставов
Иран, ШиразВ. Разбан
Ширазский университет медицинских наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: razban_vahid@yahoo.com
кандидат наук, доцент кафедры молекулярной медицины Школы передовых медицинских наук и технологий
Иран, ШиразСписок литературы
- Acter T., Uddin N., Das J., Akhter A., Choudhury T.R., Kim S. Evolution of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) as coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic: a global health emergency. Sci. Total Environ., 2020, no. 730: 138996. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.138996
- Ahmed S.F., Quadeer A.A., McKay M.R. Preliminary identification of potential vaccine targets for the COVID-19 coronavirus (SARS-CoV-2) based on SARS-CoV immunological studies. Viruses, 2020, vol. 12, no. 3: 254. doi: 10.3390/v12030254
- Al-Rohaimi A.H., Al Otaibi F. Novel SARS-CoV-2 outbreak and COVID19 disease; a systemic review on the global pandemic. Genes Dis., 2020, vol. 7, no. 4, pp. 491–501. doi: 10.1016/j.gendis.2020.06.004
- Amanat F., Krammer F. SARS-CoV-2 vaccines: status report. Immunity, 2020, vol. 52, no. 4, pp. 583–589. doi: 10.1016/j.immuni.2020.03.007
- Anderegg M.A., Liu M., Saganas C., Montani M., Vogt B., Huynh-Do U., Fuster D.G. De novo vasculitis after mRNA-1273 (Moderna) vaccination. Kidney Int., 2021, vol. 100, no. 2, pp. 474–476. doi: 10.1016/j.kint.2021.05.016
- Arai R., Ueda H., Kitayama A., Kamiya N., Nagamune T. Design of the linkers which effectively separate domains of a bifunctional fusion protein. Protein Eng., 2001, vol. 14, no. 8, pp. 529–532. doi: 10.1093/protein/14.8.529
- Ashfaq U.A., Saleem S., Masoud M.S., Ahmad M., Nahid N., Bhatti R., Almatroudi A., Khurshid M. Rational design of multi epitope-based subunit vaccine by exploring MERS-COV proteome: reverse vaccinology and molecular docking approach. PLoS One, 2021, vol. 16, no. 2: e0245072. doi: 10.1371/journal.pone.0245072
- Ather A., Patel B., Ruparel N.B., Diogenes A., Hargreaves K.M. Coronavirus disease 19 (COVID-19): implications for clinical dental care. J. Endod., 2020, vol. 46, no. 5, pp. 584–595. doi: 10.1016/j.joen.2020.03.008
- Bahrami M., Kamalinejad M., Latifi S.A., Seif F., Dadmehr M. Cytokine storm in COVID-19 and parthenolide: preclinical evidence. Phytother Res., 2020, vol. 34, no. 10, pp. 2429–2430. doi: 10.1002/ptr.6776
- Bansal S., Perincheri S., Fleming T., Poulson C., Tiffany B., Bremner R.M., Mohanakumar T. Cutting edge: circulating exosomes with COVID spike protein are induced by BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) vaccination prior to development of antibodies: a novel mechanism for immune activation by mRNA vaccines. J. Immunol., 2021, vol. 207, no. 10, pp. 2405–2410. doi: 10.4049/jimmunol.2100637
- Cascella M., Mauro I., De Blasio E., Crispo A., Del Gaudio A., Bimonte S., Cuomo A., Ascierto P.A. Rapid and impressive response to a combined treatment with single-dose tocilizumab and NIV in a patient with COVID-19 pneumonia/ARDS. Medicina (Kaunas), 2020, vol. 56, no. 8: 377. doi: 10.3390/medicina56080377
- Chaudhri G., Quah B.J., Wang Y., Tan A.H., Zhou J., Karupiah G., Parish C.R. T cell receptor sharing by cytotoxic T lymphocytes facilitates efficient virus control. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2009, vol. 106, no. 35, pp. 14984–14989. doi: 10.1073/pnas.0906554106
- Chen W.H., Strych U., Hotez P.J., Bottazzi M.E. The SARS-CoV-2 vaccine pipeline: an overview. Curr. Trop. Med. Rep., 2020, vol. 7, no. 2, pp. 61–64. doi: 10.1007/s40475-020-00201-6
- Dariushnejad H., Ghorbanzadeh V., Akbari S., Hashemzadeh P. Designing a multi-epitope peptide vaccine against COVID-19 variants utilizing in-silico tools. Iranian Journal of Medical Microbiology, 2021, vol. 15, no. 5, pp. 592–605. doi: 10.30699/ijmm.15.5.592
- Desta I.T., Porter K.A., Xia B., Kozakov D., Vajda S. Performance and its limits in rigid body protein-protein docking. Structure, 2020, vol. 28, no. 9, pp. 1071–1081 e3. doi: 10.1016/j.str.2020.06.006
- Dhanda S.K., Vir P., Raghava G.P. Designing of interferon-gamma inducing MHC class-II binders. Biol. Direct., 2013, vol. 8, no. 1: 30. doi: 10.1186/1745-6150-8-30
- Farnudian-Habibi A., Mirjani M., Montazer V., Aliebrahimi S., Katouzian I., Abdolhosseini S., Rahmani A., Keyvani H., Ostad S.N., Rad-Malekshahi M. Review on approved and inprogress COVID-19 vaccines. Iran. J. Pharm. Res., 2022, vol. 21, no. 1: e124228. doi: 10.5812/ijpr.124228
- Gasteiger E., Hoogland C., Gattiker A., Wilkins M.R., Appel R.D., Bairoch A. Protein identification and analysis tools on the ExPASy server. In: The proteomics protocols handbook, 2005, pp. 571–607. doi: 10.1385/1-59259-890-0:571
- Ghaebi M., Osali A., Valizadeh H., Roshangar L., Ahmadi M. Vaccine development and therapeutic design for 2019-nCoV/SARS-CoV-2: challenges and chances. J. Cell. Physiol., 2020, vol. 235, no. 12, pp. 9098–9109. doi: 10.1002/jcp.29771
- Guo G., Ye L., Pan K., Chen Y., Xing D., Yan K., Chen Z., Ding N., Li W., Huang H., Zhang L., Li X., Xue X. New insights of emerging SARS-CoV-2: epidemiology, etiology, clinical features, clinical treatment, and prevention. Front. Cell. Dev. Biol., 2020, no. 8: 410. doi: 10.3389/fcell.2020.00410
- Ishack S., Lipner S.R. Bioinformatics and immunoinformatics to support COVID-19 vaccine development. J. Med. Virol., 2021, vol. 93, no. 9, pp. 5209–5211. doi: 10.1002/jmv.27017
- Jones I., Roy P. Sputnik V COVID-19 vaccine candidate appears safe and effective. Lancet, 2021, vol. 397, no. 10275, pp. 642–643. doi: 10.1016/S0140-6736(21)00191-4
- Kang S., Peng W., Zhu Y., Lu S., Zhou M., Lin W., Wu W., Huang S., Jiang L., Luo X., Deng M. Recent progress in understanding 2019 novel coronavirus (SARS-CoV-2) associated with human respiratory disease: detection, mechanisms and treatment. Int. J. Antimicrob. Agents, 2020, vol. 55, no. 5: 105950. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2020.105950
- Kardani K., Bolhassani A., Namvar A. An overview of in silico vaccine design against different pathogens and cancer. Expert. Rev. Vaccines, 2020, vol. 19, no. 8, pp. 699–726. doi: 10.1080/14760584.2020.1794832
- Karwaciak I., Salkowska A., Karas K., Dastych J., Ratajewski M. Nucleocapsid and spike proteins of the coronavirus SARS-CoV-2 induce IL6 in monocytes and macrophages-potential implications for cytokine storm syndrome. Vaccines (Basel), 2021, vol. 9, no. 1: 54. doi: 10.3390/vaccines9010054
- Knight T.E. Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 and Coronavirus Disease 2019: a clinical overview and primer. Biopreserv Biobank, 2020, vol. 18, no. 6, pp. 492–502. doi: 10.1089/bio.2020.0066
- Kozakov D., Hall D.R., Xia B., Porter K.A., Padhorny D., Yueh C., Beglov D., Vajda S. The ClusPro web server for protein-protein docking. Nat. Protoc., 2017, vol. 12, no. 2, pp. 255–278. doi: 10.1038/nprot.2016.169
- Laskowski R.A., MacArthur M.W., Moss D.S., Thornton J.M. PROCHECK: a program to check the stereochemical quality of protein structures. J. Appl. Crystallogr., 1993, vol. 26, no. 2, pp. 283–291. doi: 10.1107/s0021889892009944
- Lavigne R., Seto D., Mahadevan P., Ackermann H.W., Kropinski A.M. Unifying classical and molecular taxonomic classification: analysis of the Podoviridae using BLASTP-based tools. Res. Microbiol., 2008, vol. 159, no. 5, pp. 406–414. doi: 10.1016/j.resmic.2008.03.005
- Lee S., Nguyen M.T. Recent advances of vaccine adjuvants for infectious diseases. Immune Netw., 2015, vol. 15, no. 2, pp. 51–57. doi: 10.4110/in.2015.15.2.51
- Magnan C.N., Zeller M., Kayala M.A., Vigil A., Randall A., Felgner P.L., Baldi P. High-throughput prediction of protein antigenicity using protein microarray data. Bioinformatics, 2010, vol. 26, no. 23, pp. 2936–2943. doi: 10.1093/bioinformatics/btq551
- Malik J.A., Ahmed S., Mir A., Shinde M., Bender O., Alshammari F., Ansari M., Anwar S. The SARS-CoV-2 mutations versus vaccine effectiveness: New opportunities to new challenges. J. Infect. Public Health, 2022, vol. 15, no. 2, pp. 228–240. doi: 10.1016/j.jiph.2021.12.014
- María R.A.R., Arturo C.V.J., Alicia J.A., Paulina M.L.G., Gerardo A.O. The impact of bioinformatics on vaccine design and development. Vaccines, no. 22017, pp. 3–6.
- Martin J.E., Louder M.K., Holman L.A., Gordon I.J., Enama M.E., Larkin B.D., Andrews C.A., Vogel L., Koup R.A., Roederer M., Bailer R.T., Gomez P.L., Nason M., Mascola J.R., Nabel G.J., Graham B.S., Team V.R.C.S. A SARS DNA vaccine induces neutralizing antibody and cellular immune responses in healthy adults in a Phase I clinical trial. Vaccine, 2008, vol. 26, no. 50, pp. 6338–6343. doi: 10.1016/j.vaccine.2008.09.026
- McGuffin L.J., Bryson K., Jones D.T. The PSIPRED protein structure prediction server. Bioinformatics, 2000, vol. 16, no. 4, pp. 404–405. doi: 10.1093/bioinformatics/16.4.404
- Pandey S.C., Pande V., Sati D., Upreti S., Samant M. Vaccination strategies to combat novel corona virus SARS-CoV-2. Life Sci., 2020, no. 256: 117956. doi: 10.1016/j.lfs.2020.117956
- Ponomarenko J., Bui H.H., Li W., Fusseder N., Bourne P.E., Sette A., Peters B. ElliPro: a new structure-based tool for the prediction of antibody epitopes. BMC Bioinformatics, 2008, vol. 9, no. 1: 514. doi: 10.1186/1471-2105-9-514
- Roy A., Kucukural A., Zhang Y. I-TASSER: a unified platform for automated protein structure and function prediction. Nat. Protoc., 2010, vol. 5, no. 4, pp. 725–738. doi: 10.1038/nprot.2010.5
- Saadi M., Karkhah A., Nouri H.R. Development of a multi-epitope peptide vaccine inducing robust T cell responses against brucellosis using immunoinformatics based approaches. Infect. Genet. Evol., 2017, vol. 51, pp. 227–234. doi: 10.1016/j.meegid.2017.04.009
- Sadat S.M., Aghadadeghi M.R., Yousefi M., Khodaei A., Sadat Larijani M., Bahramali G. Bioinformatics analysis of SARS-CoV-2 to approach an effective vaccine candidate against COVID-19. Mol. Biotechnol., 2021, vol. 63, no. 5, pp. 389–409. doi: 10.1007/s12033-021-00303-0
- Saha S., Raghava G.P. Prediction of continuous B-cell epitopes in an antigen using recurrent neural network. Proteins, 2006, vol. 65, no. 1, pp. 40–48. doi: 10.1002/prot.21078
- Saif L.J. Vaccines for COVID-19: perspectives, prospects, and challenges based on candidate SARS, MERS, and animal coronavirus vaccines. Eur. Med. J., 2020. doi: 10.33590/emj/200324
- Sarkar B., Ullah M.A., Araf Y., Rahman M.S. Engineering a novel subunit vaccine against SARS-CoV-2 by exploring immunoinformatics approach. Inform. Med. Unlocked, 2020, no. 21: 100478. doi: 10.1016/j.imu.2020.100478
- Satarker S., Nampoothiri M. Structural proteins in severe acute respiratory syndrome coronavirus-2. Arch. Med. Res., 2020, vol. 51, no. 6, pp. 482–491. doi: 10.1016/j.arcmed.2020.05.012
- Shehata M.M., Mahmoud S.H., Tarek M., Al-Karmalawy A.A., Mahmoud A., Mostafa A., M. Elhefnawi M., Ali M.A. In silico and in vivo evaluation of SARS-CoV-2 predicted epitopes-based candidate vaccine. Molecules, 2021, vol. 26, no. 20: 6182. doi: 10.3390/molecules26206182
- Shereen M.A., Khan S., Kazmi A., Bashir N., Siddique R. COVID-19 infection: origin, transmission, and characteristics of human coronaviruses. J. Adv. Res., 2020, vol. 24, pp. 91–98. doi: 10.1016/j.jare.2020.03.005
- Sisakht M., Bemani P., Ghadim M.B. A., Rahimi A., Sakhteman A. PyProtModel: An easy to use GUI for comparative protein modeling. J. Mol. Graph. Model., 2022, no. 112: 108134. doi: 10.1016/j.jmgm.2022.108134
- Soria-Guerra R.E., Nieto-Gomez R., Govea-Alonso D.O., Rosales-Mendoza S. An overview of bioinformatics tools for epitope prediction: implications on vaccine development. J. Biomed. Inform., 2015, vol. 53, pp. 405–414. doi: 10.1016/j.jbi.2014.11.003
- Srivastava S., Verma S., Kamthania M., Kaur R., Badyal R.K., Saxena A.K., Shin H.J., Kolbe M., Pandey K.C. Structural basis for designing multiepitope vaccines against COVID-19 infection: in silico vaccine design and validation. JMIR Bioinform. Biotechnol., 2020, vol. 1, no. 1: e19371. doi: 10.2196/19371
- Tahir Ul Qamar M., Alqahtani S.M., Alamri M.A., Chen L.L. Structural basis of SARS-CoV-2 3CL(pro) and anti-COVID-19 drug discovery from medicinal plants. J. Pharm. Anal., 2020, vol. 10, no. 4, pp. 313–319. doi: 10.1016/j.jpha.2020.03.009
- Tourani M., Samavarchi Tehrani S., Movahedpour A., Rezaei Arablouydareh S., Maleksabet A., Savardashtaki A., Ghasemnejad Berenji H., Taheri-Anganeh M. Design and evaluation of a multi-epitope vaccine for COVID-19: an in silico approach. Health. Science Monitor, 2023, vol. 2, no. 3, pp. 180–204. doi: 10.61186/hsm.2.3.180
- Vellingiri B., Jayaramayya K., Iyer M., Narayanasamy A., Govindasamy V., Giridharan B., Ganesan S., Venugopal A., Venkatesan D., Ganesan H., Rajagopalan K., Rahman P., Cho S.G., Kumar N.S., Subramaniam M.D. COVID-19: a promising cure for the global panic. Sci. Total. Environ., 2020, no. 725: 138277. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.138277
- WHO. COVID-19 weekly epidemiological update, edition 134, 16 March 2023. 2023.
- Yarian F., Dehghan Z., Lari A., Ahangarzadeh S., Sharifnia Z., Shahzamani K., Shahidi S. Development of polyepitopic immunogenic contrast against hepatitis C virus 1a-6a genotype by in silico approach. Biomedical and Biotechnology Research Journal (BBRJ), 2020, vol. 4, no. 4, pp. 355–364. doi: 10.4103/bbrj.bbrj_186_20
- Zhou P., Yang X.L., Wang X.G., Hu B., Zhang L., Zhang W., Si H.R., Zhu Y., Li B., Huang C.L., Chen H.D., Chen J., Luo Y., Guo H., Jiang R.D., Liu M.Q., Chen Y., Shen X.R., Wang X., Zheng X.S., Zhao K., Chen Q.J., Deng F., Liu L.L., Yan B., Zhan F.X., Wang Y.Y., Xiao G.F., Shi Z.L. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature, 2020, vol. 579, no. 7798, pp. 270–273. doi: 10.1038/s41586-020-2012-7
Дополнительные файлы
