人類腫瘤病毒致癌機制的多樣性

吳克復(fù) 馬小彤 鄭國光 宋玉華

馬小彤，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。近年來主要研究方向為造血干細胞生物學(xué)及白血病發(fā)生機制。以課題負責人身份完成1項國家“863”課題、8項國家自然科學(xué)基金資助項目、3項天津市應(yīng)用基礎(chǔ)重點項目、1項天津市自然科學(xué)基金資助項目和2項中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程項目。以骨干身份參加兩項國家重點研發(fā)計劃項目。獲天津市自然科學(xué)二等獎、三等獎各1項。發(fā)表論文99篇, 其中SCI收錄27篇，多篇發(fā)表于《Blood》、《Cancer Research》、《Stem Cells》、《Haematologica》、《Mol Cancer Ther》、《Gene Therapy》等雜志。參編專著9部，譯著1部。

病毒作為納米生物,是原始生物與細胞生物共進化博弈的產(chǎn)物[1,2]。腫瘤病毒由多種納米生物與脊椎動物共進化形成，所以有不同種類的腫瘤病毒在野生動物中傳播，通過一個多世紀來對家禽和實驗動物的研究獲得了多項證明。近20多年來對澳大利亞塔斯馬尼亞袋獾的鬼臉腫瘤病(devil facial tumor disease, DFTD)的病毒學(xué)研究，觀察到γ皰疹病毒與宿主的進化博弈歷程。塔斯馬尼亞袋獾是瀕臨滅絕的肉食有袋類動物，通過互相撕咬傳播病毒，導(dǎo)致DFTD 在種群中廣泛傳播，加上其他因素致使種群瀕臨滅絕[3]。多年的研究確證有7種病毒導(dǎo)致人類腫瘤，約占人類所有腫瘤病例的12%。這些病毒的致癌因子、靶組織和癌癥的病理過程不同，顯示出致癌作用機制的多樣性[4～6]。

一、人類腫瘤病毒的多樣性

不同的腫瘤病毒有不同的起源和作用機制。人類腫瘤病毒是人類與病毒共進化博弈的產(chǎn)物，源自相關(guān)動物病毒的祖先。多數(shù)人在一生中至少會感染一種已知的人類腫瘤病毒，初始感染并不引發(fā)腫瘤，在免疫抑制或有致癌物刺激時感染的細胞可以獲得腫瘤標志物。但是，真正形成腫瘤的屬少數(shù)。有些人群中廣泛感染的病毒，在其他因素協(xié)同作用下可以形成腫瘤，如乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)和丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)。

人類腫瘤病毒是種屬特異性的，不能感染實驗動物引起腫瘤，增加了確定人類腫瘤病毒的難度。至今確認的人類腫瘤病毒都經(jīng)過臨床流行病學(xué)、基礎(chǔ)和實驗研究，有的經(jīng)過大規(guī)模疫苗接種降低腫瘤發(fā)生率作為旁證等多方面的資料證實。已知的7種人類腫瘤病毒分別屬于6個不同的病毒科(表1)。

表1 已確認的人類腫瘤病毒[4,7～13]

二、病毒致癌機制的多樣性和多層面性

1.病毒致癌的一般機制:病毒感染致癌的機制至少有3方面：①病毒編碼致癌蛋白；②病毒引起慢性炎癥;③病毒引起宿主細胞基因組不穩(wěn)定，或引起其他宿主細胞改變而導(dǎo)致癌變。腫瘤病毒將其遺傳物質(zhì)整合到宿主細胞基因組中對細胞轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，還有通過干擾有絲分裂和細胞周期過程，導(dǎo)致基因突變、染色體重排和不受控制的細胞分裂。轉(zhuǎn)化后的細胞可以進一步發(fā)展為無限期生長的不死狀態(tài)。DNA病毒的遺傳物質(zhì)直接插入宿主基因組導(dǎo)致腫瘤發(fā)生，RNA病毒在插入宿主基因組之前必須將RNA反轉(zhuǎn)錄為DNA。宿主細胞轉(zhuǎn)化的機制是病毒基因組插入宿主細胞基因組引起的細胞代謝變化、細胞周期改變和對腫瘤抑制基因的滅活，包括細胞的持續(xù)增殖、細胞能力學(xué)改變、遺傳不穩(wěn)定性、誘導(dǎo)血管生成，直至腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。

所有的人類腫瘤病毒都能引起持續(xù)性感染，導(dǎo)致感染細胞的生物學(xué)作用及特征改變，破壞宿主的抗病毒防御機制。執(zhí)行后兩種作用的病毒蛋白往往有致癌性，包括抑制細胞凋亡、增強細胞增殖和增加基因組的不穩(wěn)定性。炎性反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)氧簇(ROS)引起基因組的不穩(wěn)定性，也刺激細胞增殖替代損傷組織。多數(shù)人類腫瘤病毒感染本身不足以啟動致癌機制，往往需要附加致癌因素的協(xié)同作用。許多病毒相關(guān)的腫瘤有不同的病毒癌蛋白表達和不同的作用機制(表1)。在癌蛋白作用下的異常運行，稱為“癌性調(diào)節(jié)”(oncomodulatory)；有些病毒感染后丟失病毒序列，不易測出，稱為“打了就走”(hit and run) (圖1)[7]。

圖1 病毒與細胞相互作用致癌圖解[7]*細胞無效反應(yīng)(cell abortive response), 尤其是免疫細胞的無效反應(yīng)

2.EB病毒致癌機制的多層面性:EBV是第一個確認的人類腫瘤病毒，經(jīng)過近半個世紀的研究，對其致病機制有較詳細的了解。約95%的人攜帶終身無癥狀的EBV感染，持續(xù)存在于記憶B細胞池。機體與病毒感染平衡的破壞可以導(dǎo)致EBV相關(guān)的腫瘤，以 B細胞淋巴瘤最為多見[14,15]。EBV編碼6個核抗原，分別為EBNA1、2、3A、3B、3C和LP；兩個膜蛋白分別為LMP1和LMP2，以及不編碼蛋白的小RNA (EBERs) 和 miRNAs。EBV感染的細胞機制有多種，隱性感染可分為4種類型：病毒所有基因都表達的Ⅲ型隱性感染往往出現(xiàn)于健康的EBV帶毒者，移植后淋巴增殖性疾病(PTLD)，HIV相關(guān)的免疫母細胞淋巴瘤，某些彌漫性大B細胞淋巴瘤(DLBCL)患者的B細胞；Ⅱ型隱性感染主要存在于生發(fā)中心B細胞，僅表達EBNA1 和兩個潛伏膜蛋白，以及非編碼RNAs，可出現(xiàn)于霍奇金淋巴瘤(HL)；Ⅰ型隱性感染僅瞬時表達核抗原EBNA1，可出現(xiàn)于Burkitt淋巴瘤細胞(BL)；記憶B細胞中則存在沒有EBV蛋白表達的0型隱性感染。漿細胞分化可誘導(dǎo)感染性病毒顆粒的產(chǎn)生，可出現(xiàn)于原發(fā)性滲出性淋巴瘤(PEL)[16]。

多年的研究資料表明，EBV引起宿主基因組高甲基化。自1990年首次發(fā)現(xiàn)胃癌組織中有EBV以來，引起廣泛關(guān)注，推測全球有約10%的胃癌病例與EBV感染相關(guān)，這類胃癌被稱為EBV相關(guān)胃癌(EBVaGC)。EBVaGC在所有的腫瘤中是甲基化程度最高的，EBV感染直接引起胃上皮細胞和病毒基因組的高甲基化，不僅使腫瘤抑制基因、細胞周期基因沉默，還抑制分化相關(guān)基因表達(表2)，導(dǎo)致細胞出現(xiàn)低分化高增殖狀態(tài)[17]。

表2 EBV相關(guān)胃癌中被沉寂的細胞分化基因[17]

3.乙型肝炎病毒的致癌作用：乙型肝炎病毒具有3.2kb的小的環(huán)形DNA基因組，部分雙鏈，編碼4個重疊的開放閱讀框。通過直接和間接的機制促進肝癌的發(fā)生、發(fā)展。在克隆性腫瘤擴張的早期，HBV DNA整合到宿主基因組，引起基因組不穩(wěn)定性以及各種癌癥相關(guān)基因的插入突變。HBV基因組編碼7種蛋白質(zhì)：HBx、核心、聚合酶、L-、M-、S-HBsAg和前核/HBeAg。HBx是HBV編碼的調(diào)節(jié)蛋白，含有154個氨基酸，相對分子質(zhì)量為17kD，由被感染的細胞分泌。HBx蛋白被證明是病毒復(fù)制必需的關(guān)鍵性調(diào)控蛋白，具有明顯的致癌性[4,18,19](圖2) 。

圖2 HBx在肝細胞腺癌發(fā)生、發(fā)展中的作用HBx在肝細胞腺癌(hepatocellular carcinoma, HCC)發(fā)生、發(fā)展中的作用可歸納為：HBx抗原誘導(dǎo)宿主細胞基因組不穩(wěn)定，改變多種細胞因子的表達，阻斷抗病毒信號

病毒學(xué)研究確定HBV至少有8個基因型 (A～H)，基因差異為8%～17%。在不同的種族和地區(qū)有不同的分布。HBV基因型與疾病的嚴重程度相關(guān)，提示有更多層面的作用機制。研究表明HBV能影響眾多基因，誘導(dǎo)肝癌發(fā)生(表3)[20]。

表3 乙肝病毒下調(diào)部分基因-誘導(dǎo)肝癌[20]

4.丙型肝炎病毒的致癌作用：丙型肝炎病毒與肝癌的發(fā)生密切相關(guān)。流行病學(xué)研究和Meta分析提示，慢性HCV感染增加罹患肝膽管性肝癌、胰腺癌和非霍奇金淋巴瘤的發(fā)生率。在培養(yǎng)的肝細胞中過表達HCV NS 5A可以誘導(dǎo)有絲分裂退出延遲，并導(dǎo)致進一步的有絲分裂異常，進而引起染色體不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)非整倍體。此外，HCV NS 5A還可通過PKR-p38信號通路下調(diào)有絲分裂紡錘體調(diào)節(jié)器ASPM，導(dǎo)致染色體不穩(wěn)定。HCV感染或肝癌核心蛋白的表達會導(dǎo)致多倍體細胞形成。HCV是RNA病毒不能直接整合到細胞基因組中，必須通過病毒蛋白與細胞的復(fù)雜作用施加間接影響，改變遺傳和表觀遺傳機制，導(dǎo)致癌基因激活、抑癌基因失活，以及多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)節(jié)失調(diào)，引起復(fù)雜的多種反應(yīng)，引發(fā)炎癥、纖維化和肝硬化，發(fā)展成肝癌(圖3)[21,22]。

5.人類乳頭狀瘤病毒的致癌作用：作為最古老的病毒家族之一，人乳頭瘤病毒(human papilloma virus,HPV)屬于乳頭狀瘤病毒科。目前為止，已被鑒定和測序的人類及動物的乳頭狀瘤病毒基因型超過200種。在感染肛門、生殖道的約30種HPV中，15種被歸類為“高危”型(16、18、31、33、35、39、45、51、52、56、58、59、68、73和82)與宮頸癌相關(guān)。其中，HPV16和HPV18是最常見的類型，導(dǎo)致約70%的鱗狀細胞癌，>90%的腺癌；11種 “低風險”HPV型(6、11、40、42、43、44、54、61、70、81和cp6108)主要與生殖器疣和宮頸良性病變有關(guān)[23]。

圖3 丙型肝炎病毒(HCV)誘發(fā)肝癌的分子機制[21]HCV的致癌效應(yīng)通過HCV病毒蛋白起作用：抑制凋亡；刺激細胞增殖；產(chǎn)生ROS和纖維化。導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定和肝硬化，終于發(fā)生肝細胞腺癌

HPV是直徑為50～55nm的無包膜DNA病毒。該病毒79kb的環(huán)狀雙鏈DNA包括兩個編碼區(qū)：含早期基因E1、E2、E4、E5、E6、E7的早期區(qū)和包含兩個晚期基因L1、L2的晚期區(qū)。還有一個非編碼區(qū)，稱為長控制區(qū)(LCR)，含有內(nèi)含子、增強子序列，參與調(diào)控病毒DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。在HPV感染期間，不同的病毒蛋白按順序表達。E6、E7、E1和E2是刺激增殖和驅(qū)動病毒基因組復(fù)制至高拷貝數(shù)的關(guān)鍵。HPV基因組整合到宿主染色體時發(fā)生E2區(qū)斷裂或丟失，隨后E6和E7基因表達上調(diào)。隨著被感染細胞的分化, L1 和 L2 蛋白表達，促使病毒組裝成新的病毒顆粒，引發(fā)新的感染。在HPV復(fù)制周期的早期階段，E6和E7被激活，與抑癌蛋白Rb和p53結(jié)合，誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生。E6與p53的結(jié)合引起p53的降解。E7與pRb的結(jié)合導(dǎo)致pRb和E2F復(fù)合物的解離，使細胞增殖失去控制。E7的高表達還可以導(dǎo)致中心體過度復(fù)制引起染色體不穩(wěn)定；E7與γ微管蛋白結(jié)合，改變其對中心體的募集，導(dǎo)致有絲分裂失效或細胞分裂失敗(圖4)[23～26]。

圖4 宮頸癌發(fā)展的分子機制[23]HPV的持續(xù)性感染使其整合到宿主細胞的基因組中，引起E6、E7高表達。E7與pRb相互作用引起S-相異常啟動，釋放E2F轉(zhuǎn)錄因子，使細胞周期調(diào)節(jié)紊亂，導(dǎo)致細胞永生和轉(zhuǎn)化。E6使p53降解，引起凋亡減少和DNA損傷；E6激活PI3K/Akt途徑，與細胞蛋白NFX1作用誘導(dǎo)hTERT激活，導(dǎo)致細胞的永生性和轉(zhuǎn)化。E6和E7與DNMT1的作用導(dǎo)致甲基化致使腫瘤抑制基因沉寂。E7與HDAC1作用引起染色質(zhì)重構(gòu)和基因組不穩(wěn)定。E6和E7對多途徑的作用在宮頸癌的發(fā)展中起關(guān)鍵性作用

HPV高水平的病毒基因表達和病毒顆粒的產(chǎn)生僅限于上皮細胞的最上層，免疫監(jiān)測機制達不到這些層面的組織。這種方式使HPV能夠逃避機體免疫反應(yīng)機制。由于病毒基因組的編碼能力較小，HPV依賴于宿主DNA復(fù)制機制合成其DNA。為了支持生產(chǎn)性復(fù)制，HPV利用了許多機制破壞調(diào)節(jié)宿主細胞復(fù)制的關(guān)鍵調(diào)控途徑，維持在細胞周期中活躍的分化細胞。因此，HPV能夠重新激活細胞基因和信號通路，這是支持晚期基因表達和擴增所必需的[23]。

三、展 望

人類腫瘤病毒是不同進化階段原始生物的后裔，與多細胞生物共進化博弈適應(yīng)了人體微環(huán)境，能在人類體內(nèi)繁衍生存。不同的病毒有不同的致癌機制，因此防治的靶標和措施不盡相同。腫瘤病毒本身不足以促進腫瘤的發(fā)展，其他輔助因子，如慢性炎癥、環(huán)境誘變劑和免疫抑制參與了癌癥的發(fā)展，因此病毒致癌的發(fā)生率不高[27]。了解致癌機制和相關(guān)因素，有助于新的防治腫瘤方法的探索，并為納米生物學(xué)理論研究提出了新的課題[1]。對腫瘤病毒的溯源涉及對生命起源的探討，人類腫瘤病毒多樣性的研究成果為生命起源的探討提供了新的線索[28]。