·综 述·

HPV致宫颈癌机制研究进展

丁 璐 综述, 程忠平 审校

(同济大学附属第十人民医院妇产科,上海 200072)

【摘要】 人乳头瘤病毒(human papillomavirus, HPV)是一类无包膜的具有嗜上皮特性的双链DNA病毒,由核酸及衣壳蛋白构成,其基因组可分为早期编码区(E区)、晚期编码区(L区)和长控制区(LCR),研究表明高危型HPV的持续感染与宫颈癌的发生密切相关,当HPV病毒感染机体后,其基因组可随机整合到宿主细胞DNA中,随后沉默E2基因的表达,削弱E2蛋白对E6、E7基因的抑制,使E6、E7蛋白过表达,辅以E5蛋白的表达,促使感染细胞永生化甚至癌变。因此研究HPV的病毒结构及其致病机制对防治HPV感染及预防HPV相关恶性肿瘤,尤其是宫颈癌的发生、发展尤为重要。本文拟就HPV的病毒结构、致病机制研究进展进行综述。

【关键词】 人乳头瘤病毒; 病毒结构; E2/E5/E6/E7蛋白; 作用机制; 宫颈癌

近年来,研究表明HPV与宫颈癌发病相关,目前已分离出200多种HPV病毒,并且根据其致病力及致癌作用将其分为高危型HPV和低危型HPV,其中部分HPV可以通过性接触传播[1],HPV病毒具有嗜上皮特性,其感染宿主后可在表皮、生殖器、口腔黏膜等部位的上皮基底细胞中大量复制,当机体免疫力降低后可随机整合到宿主基因组中,随后沉默E2基因,从而减少其对E6、E7基因的抑制,使E6、E7蛋白过表达,辅以E5蛋白的表达,从而诱导感染细胞无限增殖甚至癌变。研究表明高危型HPV的持续感染与高级别子宫颈病变(high-grade intraepithelial lesion, HSIL)[2-3]及宫颈癌的发生密切相关[4]。研究发现,90%的宫颈癌与高危型HPV持续感染密切相关,其中HPV16、18型的相关度最高。宫颈癌在全球女性恶性肿瘤发病率中排名第4,在15~44岁女性恶性肿瘤发病率中高达第二[1,5-6],是女性生殖系统最常见的恶性肿瘤,每年全球约有530000例的初诊宫颈癌病例,其中约有130000例是中国人[7]。因此,研究HPV的结构及致瘤机制,对减少我国宫颈癌的发病率及降低死亡率尤为重要。

1 HPV结构

HPV是无包膜的具有嗜上皮性的双链环状DNA病毒(长度约8000bp),病毒由核酸和衣壳蛋白组成,其中核酸为闭合环状DNA基因组,可分为以下3个基因组区域[约10个开放阅读框(open reading frame, ORF)]:早期编码区(E区)——编码非结构蛋白;晚期编码区(L区)——编码病毒粒子和病毒传播所需的结构蛋白[8],长调控区(long control region, LCR)——含有早期启动子、调控病毒和细胞蛋白转录的调控位点[9]

1.1 早期编码区(E区)

E区含E1、E2、E4、E5、E6、E7这6个早期基因,约占基因组的50%。E1、E2基因编码E1、E2蛋白,调节病毒DNA的复制和转录,且E2蛋白在机体感染HPV病毒后可以维持胞内转运及感染细胞内的DNA复制,此外合成的E2蛋白还可以抑制E6和E7基因的转录[10]。E4基因可以编码产生E4蛋白,可以促进病毒的复制,并可以破坏细胞骨架,促进病毒粒子从受感染的上皮细胞内逸出,向周围组织扩散[11]。而E6、E7基因编码产生的E6、E7蛋白作为主要的致癌蛋白,参与了细胞癌变的过程。E6蛋白主要与p53蛋白结合从而使p53失活,促进p53降解,诱使感染细胞维持在细胞周期S期;而E7蛋白则与视网膜母细胞瘤蛋白(retinoblastoma protein, pRB)结合,使pRB失活,从而失去其对细胞周期的调控作用,诱导感染细胞向癌变方向发展[12]。E5蛋白可以与多种宿主细胞蛋白相互作用,最近有研究表明E5蛋白作为癌蛋白,可以刺激细胞增殖,抑制死亡受体诱导的细胞凋亡,以及调控与细胞黏附和免疫功能有关的基因复制和转录[13]

1.2 晚期编码区(L区)

L区有L1、L2 2个晚期基因,约占基因组40%,分别编码L1、L2蛋白。HPV的衣壳蛋白由主要蛋白L1和次要蛋白L2组成。电镜三维结构显示,HPV病毒是由72个五聚体构成的T=7的正20面体,在该结构中L2蛋白与L1蛋白以1∶5~1∶10的比列分布,每个五聚体由5个L1蛋白单体聚合而成,而L2蛋白则包埋于每个五聚体的中心区域[14]。L1蛋白可以自组装成病毒样颗粒(virus-like particle, VLPs),可作为一种特异性免疫抗原,具有较高的免疫原性,可以诱发机体产生高低度的中和抗体和细胞免疫的表位,从而使细胞免受HPV病毒的再次攻击[15]。L2蛋白包埋与每个五聚体的核心区域,只留N-末端残基于五聚体表面,从而在细胞吸附和细胞复制过程中发挥作用,除此以外,L2蛋白还可在内吞入胞、入核、囊泡转运等过程中发挥一定作用[16]

1.3 长控制区(LCR区)

位于L1基因和E6基因间的非编码区,约占整个病毒基因组的10%,可分为3个区段:5′区段、中心区段、3′区段。5′区段囊括第1个E2蛋白结合位点(E2bs)、转录终止和多腺苷酸化的结合位点。中心区段的两端各有1个E2蛋白结合位点,中间是一些刺激或抑制病毒转录活动的基因序列,这些序列包括与AP1、NF1、TEF1、OCT1、YY1、BRN-3a、NF-IL6、KRF-1、NF-κB、FOXA1和GATA3等的结合位点。3’区段则有2个E2蛋白结合位点和一个E1蛋白结合位点(E1bs),重叠在复制起源处。LCR区含有病毒转录、细胞蛋白翻译的多个调控位点,从而调控早、晚期编码区的基因转录和病毒颗粒的合成。

2 HPV致宫颈癌机制

HPV可以通过微小的皮肤损伤进入到上皮基底细胞中,在这些上皮基底细胞中只检测到HPV DNA,没有检测到病毒衣壳蛋白,这表明在某些条件下HPV DNA可以目前尚未明确的机制随机整合到宿主细胞基因组中,随后干扰E2基因的表达,从而削减E2基因对E6、E7基因的负性调节作用,进一步抑制p53和pRB,促使感染细胞发生癌变[17]。据国内外文献报导,HPV感染细胞后诱发感染细胞癌变主要通过以下3种机制:宿主细胞基因组中病毒DNA的整合、E2基因的缺失或沉默、E6和E7基因的保留和过表达[18],E5蛋白作为癌蛋白也参与了HPV感染细胞癌变的过程[13]

2.1 HPV DNA在宿主细胞中的整合

近年来有研究表明,多数HPV感染是一过性的,一般在感染后6~12个月通过机体免疫系统作用会转阴,但当机体免疫力下降或DNA发生突变后,部分亚型HPV DNA可随机与感染细胞基因组发生整合,使细胞周期调节系统失控。因此,从宿主细胞感染HPV发展至宫颈癌,HPV DNA随机整合到人类基因组中这一步骤必不可少[19-20]。在人类基因组中,HPV DNA可以与人类基因组中的各个DNA开放阅读框发生随机整合,但其中与结构不稳定的染色体(如3q28、4q13.3、8q24.21、13q22.1和17q21或miRNA簇附近)发生整合的概率更高[21]。而对于HPV基因,其结构不稳定的开放阅读框更易与宿主基因组发生整合,而这些开放阅读框中又以E2基因铰链区结构最不稳定,因此位于3132~3384 核苷酸位置的E2区是病毒与宿主基因组整合发生频率最高的区域,也是整合过程中最常见的缺失或断裂部位,亦为整合过程中HPV基因破坏最严重的区域[22]。E2基因负性调节E6及E7基因的表达,缺失或破坏E2基因,削减了E2基因对E6、E7基因的抑制作用,进而影响细胞的复制及转录过程。此外,HPV DNA与宿主细胞基因组整合后染色体可发生一定变化,如染色体易位、缺失甚至重排,增加了染色体结构的不稳定性,当抑癌基因结构不稳定后,细胞发生癌变的概率将大幅度上升[23]。除此以外,HPV DNA与宿主基因整合并不是致宫颈癌的唯一因素,HPV病毒基因高甲基化也会影响E2基因的转录,虽然没有破坏E2基因的结构,但也间接影响了E6、E7基因的表达[24]

2.2 缺失E2基因的表达

E2基因在病毒生命周期中发挥了很大的作用,E2基因具有1个DNA结合结构域和反式激活结构域,它们通过富含丝氨酸-精氨酸的铰链区连接,E2基因编码的E2蛋白通常与LCR中的同源序列E2结合位点(E2BS)结合形成同源二聚体,该二聚体中包含病毒早期启动子、复制起点、增强子、多腺苷酸化位点等[25]。黏膜感染性HPV病毒具有4个E2BS,其中2个E2BS靠近病毒早期启动子,第3个位于DNA复制起点,第4个位于增强子区域,E2蛋白与E2BS结合后会刺激或抑制E6、E7癌基因的表达,从而调控病毒的复制周期。已有证据表明,E2在控制病毒早期启动子方面具有抑制功能。当E2蛋白浓度低时,E2将优先与启动子远端2个E2BS结合,导致早期病毒蛋白E6、E7的产生增加。随着E2蛋白浓度的增加,相对于启动子远端的2个E2BS,更多E2蛋白将与启动子近端的2个E2BS结合,通过置换结合位点的特异性蛋白1(specificity protein 1, Sp1)和TATA结合蛋白(TATA-binding protein, TBP)使E6、E7的转录受抑制[26]。另一方面,E2可以与HPV复制过程中的解旋酶相互作用促进DNA复制。如2.1所提及,HPV的致癌过程与HPV病毒与宿主基因组整合密不可分,而与宿主基因组整合后,E2基因铰链区是最常见的缺失或断裂部位,因此整合后的宿主细胞内E2蛋白的表达将大幅度减少,在此情况下,低度的E2蛋白将与启动子远端的2个E2BS结合,使E6、E7蛋白过表达,使感染细胞更易于倾向于永生化,癌变概率增加。

2.3 E6和E7基因的保留与过表达

2.3.1 E6基因 机体细胞通常受到一些内源性因素(如细胞代谢、DNA复制及重组过程中出错)和外源性因素(如紫外线及化学药物作用)的影响,使细胞基因组受损,机体可通过复杂的网络通路识别DNA损伤、激活细胞周期检查点并促进DNA修复或清除机体里的高度损伤细胞[27]。而p53蛋白作为抑癌因子,参与了细胞内的多个信号转导过程,包括细胞增殖、DNA修复,必要时可终止细胞进程,诱发细胞凋亡[28]。因此,p53基因的沉默或突变可能会扰乱细胞内信号转导通路,使细胞生长、凋亡过程失控,从而诱发细胞癌变[29]。当DNA受损程度轻时,机体内p53蛋白表达水平增高,使受损细胞停留在G1检验点,进行DNA修复,从而维持细胞基因组的完整性。当DNA修复失败后p53蛋白则会启动细胞凋亡通路,诱发细胞老化或凋亡,从而减少基因组突变发生的概率[30]。E6蛋白可以与多种宿主细胞蛋白相互作用,如p53,E6AP,MAML1,视网膜母细胞瘤家族蛋白和含锌指结构蛋白,E6蛋白可使这些蛋白质失活从而影响多种细胞途径,如细胞增殖和凋亡。2016年1月,Nature杂志报道了法国斯特拉斯堡大学生物技术学院的Martinez-Zapien教授团队关于HPV介导的p53降解所需的E6/E6AP/P53复合体的构建研究,他们在体外大肠杆菌BL21(DE3)细胞中分别表达了E6、E6AP及p53,在缓冲液B中以1∶1∶1的化学计量比混合,结晶浓缩后纯化,获得初始E6/E6AP/p53复合体晶体,在体外模拟了p53蛋白在复合体作用下降解的过程[31]。E6蛋白通过干扰p53蛋白的功能,诱导p53在蛋白酶依赖系统中的降解。HPV感染细胞内E6蛋白持续高表达,过度表达的E6蛋白可与机体内的E6相关蛋白(E6AP)结合,从而使E6AP与p53蛋白特异性结合。而E6AP又称为泛素-蛋白连接酶(E3A),与泛素结合后可以诱导p53在E3A系统里的过度降解。当p53蛋白过度降解后其作为抑癌因子作用大幅减弱,细胞DNA损伤时不能及时修复,亦不能及时启动细胞凋亡通路,从而细胞基因组积累了大量突变基因,使细胞癌变概率增加[32-33]。此外,E6蛋白可通过与外源性的细胞凋亡途径中的相关死亡域蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain, FADD)及半胱氨酸蛋白酶-8相互作用抑制HPV感染细胞凋亡,使突变基因量进一步增多[34]。另一方面,E6蛋白与端粒酶活性的调节也有一定关系,有研究表明:与HPV有关的恶性肿瘤细胞中端粒酶的活性大于正常细胞,而端粒酶活性的高低与hTERT(催化亚基人端粒酶逆转录酶)的表达密切相关,而E6蛋白可以促进hTERT的转录。Myc锌指蛋白(Maz)和hTERT上的启动子结合后会抑制hTERT的表达,而E6蛋白可以抑制Maz蛋白活性,从而促进hTERT转录。锌指转录因子Sp1结合hTERT启动子后可以促进其表达,而E6蛋白可以促进Sp1与hTERT启动子结合从而使端粒酶活性增高[35]。因此,E6蛋白的过表达可促使HPV感染细胞癌变。

2.3.2 E7基因 视网膜母细胞瘤基因(RB1基因)编码视网膜母细胞瘤口袋蛋白(pRB蛋白),pRB蛋白在细胞周期过程中起重要作用,pRB蛋白可与细胞周期调节因子(E2F)结合,抑制E2F转录活性,阻止细胞周期进入S期,从而使受损DNA得以修复,避免将突变基因传递给子代细胞。pRB还可参与调节DNA复制、细胞凋亡等过程[36]。HPV感染细胞E2基因表达受抑制,E7蛋白持续高表达,过度表达的E7蛋白能与pRb蛋白结合,从而抑制其与E2F因子结合,使E2F在细胞内处于游离激活状态,使得细胞在DNA受损条件下仍能向S期进展,细胞不断增殖,使突变基因得以积累,从而诱导感染细胞癌变[37]。此外,E7蛋白还可与P107、P130蛋白结合,机制类似于pRb[38],E7蛋白亦可拮抗细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinases, CDK)抑制物作用,促进CDK活化,推进细胞周期进入S期,促使细胞周期失去调控[39]。与E6蛋白对hTERT的诱导作用相似,E7蛋白虽不能直接调控端粒酶hTERT的表达,但E7蛋白与E6蛋白协同作用,可上调hTERT启动子活性,从而增加hTERT转录,诱导HPV感染细胞无限增殖甚至永生化,进一步诱使细胞癌变。

2.4 E5基因

关于HPV致癌性和侵袭性的大多数研究都集中在E6和E7癌蛋白的作用上,但是,最近有研究表明,E5癌蛋白在HPV致癌过程中亦具有举足轻重的作用[40]。E5癌蛋白可以通过与生长因子类受体如表皮生长因子受体(epithelial growth factor receptor, EGFR)结合形成活化复合物刺激细胞增殖,从而维持HPV感染细胞的持续增殖状态[41]。E5癌蛋白主要存在于内质网和高尔基体中,E5蛋白可与其中的Ⅴ型ATP酶结合,减少内体酸化作用,而内体酸化是降解细胞表面受体的重要途径。内体酸化作用的失调会导致细胞表面受体(如EGFR)的代谢减少,从而增加其信号转导活性。此外,E5癌蛋白还可以靶向下调角质形成细胞生长因子受体/成纤维细胞生长因子受体2b(KGFR/FGFR2b)信号转导,减少细胞的自噬过程。与E6癌蛋白类似,E5癌蛋白在抑制细胞凋亡方面也有一定作用,E5蛋白可以增加促凋亡蛋白Bax的泛素化和蛋白酶体的降解,从而抑制过氧化氢诱导的细胞凋亡,增加异常突变基因在细胞内的积累,从而诱发感染细胞癌变。E5癌蛋白的另一重要作用就是对免疫系统的调节,可与主要组织相容性复合体Ⅰ(major histocompatibility complex Ⅰ, MHC Ⅰ)相互作用,促进其在高尔基体中的保留,抑制其向细胞表面的转运,从而使MHC I将病毒抗原呈递给T细胞的能力降低。另外CD8+T细胞不能识别E5抗原,从而促进了HPV转化细胞的免疫逃逸。因此,E5基因的表达促进了HPV感染细胞的癌变进程。

3 结 语

近年来宫颈癌的发病率逐渐上升,并且呈现逐渐年轻化的趋势,严重威胁女性的生命安全。常规的治疗方法(例如手术、化学疗法和放射疗法)仍是宫颈癌患者治疗的主要手段,但治疗后仍存在较高的复发率,降低了患者的生存率和生活质量。近年来随着科学技术的进步,逐渐发现了HPV中易与宿主基因随机整合的为E2基因,缺失或破坏E2基因的表达,将会削弱E2基因表达产物对E6、E7基因表达的抑制,使得E6、E7基因过表达,继而将会破坏相应的细胞内信号传导通路,辅以E5蛋白在调节免疫及细胞凋亡方面的协同作用,共同促进了HPV感染细胞的癌变过程。但目前仍有问题亟待解决,如HPV中E2基因与宿主基因整合的具体位点仍不明确,有待于进一步完善,E2基因具体通过何通路抑制E6、E7基因的表达以及E5如何与E6、E7基因协同作用抑制细胞凋亡、促进感染细胞癌变等问题仍有待于进一步研究与发现。因此更加深入的认识HPV结构及了解HPV各基因间的致癌作用及其在抑制细胞凋亡、促进细胞永生化方面的级联作用机制仍是发现、诊断、治疗及预防宫颈癌的关键所在。

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Advances on the carcinogenetic mechanisms of HPV in cervical cancer

DING Lu, CHENG Zhong-ping

(Dept. of Gynaecology and Obstetrics, Tenth People’s Hospital, Tongji University School of Medicine, Shanghai 200072, China)

【Abstract】 Human papillomavirus(HPV) is a type of non-enveloped double-stranded DNA virus with epithelialophilic properties. The HPV virus is composed of nucleic acid and capsid protein, and its genome consists of early coding region(E region), late coding region(L region) and long control region(LCR). Studies have shown that persistent infection of high-risk HPV is closely related to the occurrence of cervical cancer. After HPV infected the body, its genome is randomly integrated into the DNA of host cell, then silences the expression of E2 gene, weakens the inhibition of E2 protein on E6 and E7 genes, makes E6 and E7 proteins over-expressed, complemented with the expression of E5 protein to promote the immortalization or canceration of infected cells. Therefore, studying the viral structure and pathogenesis of HPV is particularly important for the prevention and treatment of HPV infection and prevention of HPV-related malignancies, especially the occurrence and development of cervical cancer. This article reviews the research progress on the structure of HPV and its mechanism in carcinogenesis of cervical cancer.

【Key words】 human papillomavirus; viral structure; E2/E5/E6/E7 protein; carcinogenic mechanism; cervical cancer

【中图分类号】 R737.33

【文献标志码】 A

【文章编号】 1008-0392(2020)03-0388-06

doi:10.16118/j.1008-0392.2020.03.022

收稿日期:2019-10-09

基金项目:国家自然科学基金面上项目(81874104)

作者简介:丁 璐(1992—),女,住院医师,硕士研究生.E-mail:2393919992@qq.com

通信作者:程忠平.E-mail:mdcheng18@tongji.edu.cn