? ? ? ?今天介紹的病毒是乳頭瘤病毒——她是第一個人類致癌DNA病毒

簡介

? ? ? ? 乳頭瘤病毒是一個古老的非包膜DNA病毒分類學家族，統(tǒng)稱為乳頭瘤病毒。已經確定了數(shù)百種乳頭瘤病毒，它感染所有哺乳動物，以及鳥類、蛇、龜鱉和魚。根據類型的不同，大多數(shù)乳頭瘤病毒的感染是無癥狀的——例如，大多數(shù)乙型乳頭瘤病毒/Betapapillomavirus，或者會引起小的良性腫瘤，稱為乳頭瘤或疣——例如HPV-1、HPV-6或HPV-11。但是，由某些類型引起的乳頭狀瘤，例如HPV-16和HPV-18，有癌變的危險。

? ? ? ? ?乳頭瘤病毒通常被認為與宿主和組織高度相關，被認為極少在種間傳播。乳頭瘤病毒僅在體表組織的基底層中復制。所有已知的乳頭瘤病毒類型都感染特定的體表，通常是**器，*門，嘴或氣道的皮膚或粘膜上皮。例如，HPV-1傾向于感染腳底，HPV-2傾向于感染手掌，在這里它們可能會引起疣。此外，還描述了血液和外周血單核細胞中存在HPV-DNA。

? ? ? ? ?乳頭瘤病毒最早于20世紀初被發(fā)現(xiàn)，當時表明皮膚疣或乳頭狀瘤可通過可過濾的傳染原在人與人之間傳播。 1935年，弗朗西斯·佩頓·魯斯（Francis Peyton Rous）曾證明雞中存在致癌肉瘤病毒，后來又證明乳頭瘤病毒可能在受感染的兔子中引起皮膚癌。這是病毒可引起哺乳動物癌癥的第一個證明。

病毒分類

? ? ? ? ?截止到2019年，盡管ICTV正式認可了較小的乳頭瘤病毒，但已識別出100多種，分為53屬。所有的乳頭瘤病毒（PVs）具有相似的基因組組織，并且任何一對PVs至少包含五個同源基因，盡管核苷酸序列的差異可能超過50％。允許比較同源性的系統(tǒng)發(fā)生算法導致系統(tǒng)樹具有相似的拓撲結構，而與所分析的基因無關。

? ? ? ? 系統(tǒng)發(fā)育研究強烈表明，PV通常會與其哺乳動物和鳥類宿主物種一起進化，不會改變宿主物種，不會重組，并且已經維持其基本基因組組織超過一億年。這些序列比較為PV分類法奠定了基礎，PV分類法現(xiàn)已得到國際病毒分類學委員會的正式認可。所有PV均形成乳頭瘤病毒(Papillomavirus)，它們不同于多瘤病毒(Polyomavirus)，因此取消了術語Papovavirus。 PV的系統(tǒng)樹的主要分支被視為屬，通過希臘字母標識。次要分支被認為是物種，并且在基因組學上將PV類型統(tǒng)一在一起，而沒有表現(xiàn)出已知的生物學差異。這種新的分類系統(tǒng)不會影響PV“類型”及其具有較小基因組差異的獨立分離株（稱為“亞型”和“變體”）的傳統(tǒng)鑒定和表征，所有這些分類均低于“物種”水平。?

? ? ? ? ?鑒于乳頭瘤病毒-多瘤病毒重組體的存在，可能需要對該分類進行修訂。還描述了其他種類。已從魚類中分離出金槍魚乳頭瘤病毒1。

人乳頭瘤病毒

? ? ? ? 已經對170多種人類乳頭瘤病毒類型進行了完全測序。它們已分為5個屬：α乳頭瘤病毒，β乳頭瘤病毒，γ乳頭瘤病毒，μ乳頭瘤病毒和ν乳頭瘤病毒。 已經確定至少有200種其他病毒正在等待測序和分類。

動物乳頭瘤病毒

? ? ? ? 單個乳頭瘤病毒類型傾向于高度適應單個動物物種中的復制。在一項研究中，研究人員擦拭了多種動物園動物的前額皮膚，并使用PCR擴增了可能存在的任何乳頭瘤病毒DNA。盡管在這項研究中鑒定了多種乳頭瘤病毒序列，但作者發(fā)現(xiàn)種間傳播的證據很少。發(fā)現(xiàn)一名動物園管理員對黑猩猩特有的乳頭瘤病毒序列暫時呈陽性。然而，作者指出，黑猩猩特有的乳頭瘤病毒序列可能是動物園管理員皮膚表面污染的結果，而不是生產性感染。

? ? ? ? 棉尾兔乳頭瘤病毒（CRPV）可以在其本地宿主北美棉尾兔中引起突出的疣。這些號角狀的疣可能是都市傳說中美國野兔哈布拉（Jackalope）和歐洲狼人（Wolpertinger）的原始依據。歐洲家兔（直齒兔屬）可以在實驗室環(huán)境中短暫感染CRPV。但是，由于歐洲家兔不產生傳染性子代病毒，因此它們被視為CRPV的偶然或“死胡同”宿主。

? ? ? ? 牛乳頭瘤病毒（BPV）1型也有種間傳播的報道。BPV-1在其天然宿主（牛）中誘發(fā)大的皮膚皮膚疣。馬的BPV-1感染是該病毒的偶然宿主，可導致良性腫瘤（稱為結節(jié)?。┑陌l(fā)展。 BPV-1的農業(yè)意義促使人們成功開發(fā)出針對該病毒的疫苗。

? ? ? ? 一些報告已經在較小的嚙齒動物中發(fā)現(xiàn)了乳頭瘤病毒，例如敘利亞倉鼠、非洲犬鼠和歐亞倉鼠。但是，尚無已知能夠感染實驗室小鼠的乳頭瘤病毒。缺乏針對乳頭瘤病毒感染的易于治療的小鼠模型已成為實驗室研究乳頭瘤病毒的主要限制。

? ? ? ? 已知有四種乳頭瘤病毒可感染鳥類：Fringilla coelebs乳頭瘤病毒1、Francolaus leucoscepus乳頭瘤病毒1、Psittacus erithacus乳頭瘤病毒1和Pygoscelis adeliae乳頭瘤病毒1。所有這些物種都有一個功能未知的基因（E9），表明有共同的起源。

病毒進化

? ? ? ? 與許多其他類型的病毒相比，乳頭瘤病毒的進化被認為是緩慢的，但目前尚無實驗方法。這可能是因為乳頭瘤病毒基因組由遺傳穩(wěn)定的雙鏈DNA組成，該DNA由宿主細胞的DNA復制機制以高保真度復制。

? ? ? ? 據信，乳頭瘤病毒通常與特定宿主動物物種共同進化多年，盡管有強有力的證據反對共同進化的假設。在一個特別迅速的例子中，HPV-16隨著人口在全球范圍內的發(fā)展而略有發(fā)展，現(xiàn)在在不同的地理區(qū)域有所不同，其方式可能反映了人類遷徙的歷史。

? ? ? ? 其他HPV類型（例如HPV-13）在不同人群中的變化相對較小。實際上，HPV-13的序列與倭黑猩猩的乳頭瘤病毒非常相似（也稱為侏儒黑猩猩）。目前尚不清楚這種相似性是由于物種之間的最近傳播，還是由于人類和倭黑猩猩分離后的六百萬年間，HPV-13的變化很小，據估計，這組病毒的最新祖先存在于4.24億年前。

? ? ? ?有五個主要感染人類的屬（Alpha，Beta，Gamma，Mu和Nu）。這些屬的最新共同祖先是在4970萬年前到5850萬年前進化的。據估計，Gammapapillomavirus屬的最新祖先在4530萬年前和6750萬年前之間演化。

結構

? ? ? ? 乳頭瘤病毒是無包膜的，這意味著病毒的外殼或衣殼沒有被脂膜覆蓋。一個單獨的病毒蛋白，稱為L1，對形成由72個星形衣殼蛋白組成的55-60納米衣殼是必要的，并且是足夠的。

?? ? ? 像大多數(shù)病毒一樣，衣殼在幾何上是規(guī)則的，并呈二十面體對稱。由L1組成的自組裝病毒樣顆粒是一組成功的預防性HPV疫苗的基礎，該疫苗旨在引發(fā)可預防初始HPV感染的病毒中和抗體。因此，乳頭瘤病毒在環(huán)境中是穩(wěn)定的。

? ? ? ? 乳頭瘤病毒基因組是雙鏈環(huán)狀DNA分子，長度約8000個堿基對。它與細胞組蛋白一起包裝在L1殼中，后者可包裹和濃縮DNA。

? ? ? ? 乳頭瘤病毒衣殼還含有一種稱為L2的病毒蛋白，這種蛋白的含量較低。盡管還不清楚L2在病毒體中的排列方式，但已知它具有多種重要功能，包括促進將病毒基因組包裝到新生的病毒體中，以及使病毒感染性進入新的宿主細胞。 L2作為更廣泛保護性HPV疫苗的可能靶標而受到關注。

? ? ? ? 盡管許多病毒都存在72衣殼體，但乳頭瘤病毒幾乎是獨一無二的，因為它們的衣殼都是由蛋白質之間的五聚體相互作用構成的。其他二十面體病毒僅存在12個五聚體，任何衣殼異構體將與六聚體蛋白發(fā)生相互作用。因此，乳頭瘤病毒是“準等價理論”的第一個已知例外，該理論實質上認為病毒衣殼類似于Goldberg多面體。實際上，乳頭瘤病毒上的蛋白質布局與任何已知的球形多面體都不相符，因此其結構是二十多年來的一個懸而未決的問題。Reidun Twarock最終在2003年回答了這個問題，使用的模型基于Penrose平鋪，其中在二聚體中用兩種蛋白質填補菱形，在三聚體中用三種蛋白質填補風箏形。

? ? ? ? 多瘤病毒也是如此，它們的衣殼也是由蛋白質之間的五聚體相互作用構成的。

組織特異性

? ? ? ? 乳頭瘤病毒僅在角質形成細胞中復制。 角質形成細胞形成皮膚的最外層，以及一些粘膜表面，例如臉頰內部或*道壁。 這些表面組織稱為分層的鱗狀上皮，由扁平細胞的堆疊層組成。 細胞層是通過稱為細胞分化的過程形成的，在該過程中，角質形成細胞逐漸變得專門化，最終形成堅硬的交聯(lián)表面，從而防止水分流失并充當病原體的屏障。 在表層補充的分化程度較低的角質形成干細胞被認為是生產性乳頭瘤病毒感染的最初目標。 病毒生命周期中的后續(xù)步驟嚴格取決于角質形成細胞分化的過程。 最終導致乳頭瘤病毒只能在體表組織中復制。

生活周期

傳染性進入

? ? ? ? 乳頭瘤病毒通過皮膚或粘膜表面的小傷口（稱為微傷）進入角質形成細胞干細胞。 L1和硫酸糖在細胞表面的相互作用促進了病毒的初始附著。然后，該病毒能夠通過與特定受體的相互作用從細胞表面進入內部，可能是通過α-6β-4整聯(lián)蛋白，并被運輸?shù)奖荒ぐ哪遗?，稱為內體。衣殼蛋白L2通過陽離子細胞穿透肽破壞內體的膜，使病毒基因組與L2一起逃逸并運輸?shù)郊毎恕?/p>

病毒蛋白持久性表達

? ? ? ? 成功感染角質形成細胞后，病毒會表達E1和E2蛋白，這些蛋白可復制并保持病毒DNA為環(huán)狀附加體。病毒致癌基因E6和E7通過滅活腫瘤抑制蛋白p53和pRb促進細胞生長。上皮基底層的角質形成細胞干細胞可以維持乳頭瘤病毒基因組數(shù)十年。

后代病毒的產生

? ? ? ? 病毒晚期基因L1和L2的表達僅限于分化皮膚或粘膜表面最外層的角質形成細胞。 L1和L2表達的增加通常與病毒基因組拷貝數(shù)的急劇增加相關。由于分層鱗狀上皮細胞的外層受到免疫系統(tǒng)細胞的相對有限的監(jiān)視，因此認為這種對病毒晚期基因表達的限制代表了一種免疫逃避形式。

? ? ? ? 新的傳染性子代病毒被組裝在細胞核中。乳頭瘤病毒已經進化出一種將病毒體釋放到環(huán)境中的機制。其他種類的非包膜動物病毒利用主動裂解過程殺死宿主細胞，從而釋放后代病毒顆粒。通常，這種裂解過程與發(fā)炎有關，發(fā)炎可能會觸發(fā)針對病毒的免疫攻擊。乳頭瘤病毒利用脫屑作為一種隱秘的非炎性釋放機制。

病毒癌變

? ? ? ? 盡管某些類型的乳頭瘤病毒可以在它們所居住的上皮組織中引起癌癥，但癌癥并不是典型的感染結果。 乳頭瘤病毒引起的癌癥的發(fā)展通常發(fā)生在許多年的過程中。 乳頭瘤病毒與**癌、**癌和口腔癌的發(fā)展有關。還已注意到神經源性膀胱患者與外陰癌和尿路上皮癌鱗狀分化有關。有致癌的乳頭瘤病毒基因組，該基因組編碼兩個小蛋白，稱為E6和E7，它們模仿原癌基因，抑制抑癌基因表達。 它們的工作方式是刺激細胞非自然生長并阻止其自然防御。 它們還作用于許多控制增殖和凋亡的信號蛋白。

實驗室研究

? ? ? ? 乳頭瘤病毒的生命周期嚴格要求角質形成細胞分化這一事實對實驗室中的乳頭瘤病毒研究構成了實質性的障礙，因為它已經排除了使用常規(guī)細胞系繁殖病毒的可能性。由于可以從病毒在牛身上誘發(fā)的大疣中提取出具有感染力的BPV-1病毒體，因此，多年來它一直是一種主要的模型乳頭瘤病毒。 CRPV(棉尾兔乳頭瘤病毒)、兔口腔乳頭瘤病毒（ROPV）和犬口腔乳頭瘤病毒（COPV）也已廣泛用于實驗室研究。研究人員一發(fā)現(xiàn)這些病毒會引起癌癥，便會共同努力尋找疫苗。目前，最有效的解決方法是模仿由L1蛋白組成但缺乏DNA的病毒?；旧?，我們的免疫系統(tǒng)可以抵抗感染，但如果這些感染不引起疾病，則可以用作疫苗。 PDB 6bt3顯示了抗體表面如何攻擊病毒表面以使其失效。

? ? ? ? ?一些性傳播的HPV類型已經使用小鼠“異種移植”系統(tǒng)進行了繁殖，其中將HPV感染的人類細胞植入免疫缺陷小鼠中。最近，一些小組已經成功地從人宮頸病變中分離出感染性HPV16。然而，使用該技術分離感染性病毒體是艱巨的，并且感染性病毒的產率非常低。

? ? ? ? 角質形成細胞的分化可以通過將培養(yǎng)的角質形成細胞暴露于空氣/液體界面來在體外模擬。這種“筏式培養(yǎng)”系統(tǒng)適應乳頭瘤病毒的研究是病毒生命周期體外研究的重大突破。然而，筏式養(yǎng)殖系統(tǒng)相對繁瑣，并且感染性HPV的產量可能較低。

? ? ? ? 基于酵母的系統(tǒng)的開發(fā)允許穩(wěn)定的游離型HPV復制，為研究HPV生命周期的多個方面提供了一種方便，快速且廉價的方法（Angeletti 2002）。例如，可以容易地在酵母中重建依賴E2的轉錄，基因組擴增和全長HPV-DNA的有效衣殼化（Angeletti 2005）。

? ? ? ? ?最近，已經開發(fā)了用于產生攜帶報告基因的HPV假病毒的瞬時高產方法。盡管偽病毒不適合研究病毒生命周期的某些方面，但初步研究表明，偽病毒的結構和初始感染性進入細胞在許多方面可能與真實的乳頭瘤病毒相似。

? ? ? ? 人乳頭瘤病毒與感染的細胞表面的肝素分子結合。研究表明，分離的L1凱普萊斯晶體具有肝素鏈，可被病毒表面的賴氨酸線凹槽識別。同樣，帶有抗體的人也表明它們可以阻止這種識別。

基因組全析

? ? ? ? ?乳頭瘤病毒基因組分為一個早期區(qū)域（E），該區(qū)域編碼在宿主細胞初次感染后立即表達的六個開放閱讀框（ORF）（E1，E2，E4，E5，E6和E7）和編碼主要衣殼蛋白L1和次要衣殼蛋白L2的晚期區(qū)域（L）。所有病毒ORF都編碼在一條DNA鏈上，這是乳頭瘤病毒和多瘤病毒之間的巨大差異，因為多瘤病毒通過兩條DNA鏈的雙向轉錄表達其早期和晚期基因。這種差異是建立共識的主要因素，盡管乳頭瘤病毒和多瘤病毒的結構具有驚人的相似性，但它們可能從未共享同一祖先。

? ? ? ? 感染宿主細胞后，HPV-16早期啟動子被激活，并轉錄包含所有六個早期ORF的多順反子一級RNA。該多順反子RNA包含三個外顯子和兩個內含子，并經過活性RNA剪接產生多種mRNA亞型。剪接的同工型RNA之一E6*I作為E7 mRNA來翻譯E7癌蛋白。相比之下，E6ORF內含子必須保持完整而不進行剪接，這對于E6癌蛋白的翻譯是必不可少的。但是，病毒早期轉錄受病毒E2調節(jié)，而高E2水平會抑制轉錄。 HPV基因組通過破壞E2ORF而整合到宿主基因組中，從而阻止E2對E6和E7的阻遏。因此，病毒基因組整合入宿主DNA基因組會增加E6和E7表達，從而促進細胞增殖和惡性腫瘤的機會。

? ? ? ? 病毒早期區(qū)域中的主要病毒晚期啟動子僅在分化的細胞中才有活性，并且其活性可以通過病毒DNA復制得到高度增強。晚期轉錄物也是多順反子RNA，其包含兩個內含子和三個外顯子。此晚期轉錄物的替代性RNA剪接對于L1和L2表達至關重要，并且可以由RNA順式元件和宿主剪接因子調控。

HPV-16基因全析

E6

? ? ? ?E6是一個151個氨基酸的肽段，其中包含具有（T / S）-（X）-（V / I）-COOH共有序列的1型基序。它還具有兩個鋅指基序。

? ? ? ?E6特別令人感興趣，因為它似乎在細胞中具有多種作用并與許多其他蛋白質相互作用。但是，它的主要作用是介導p53（一種主要的腫瘤抑制蛋白）的降解，從而降低細胞對DNA損傷的反應能力。

? ? ? ?E6還被證明可靶向其他細胞蛋白，從而改變了幾種代謝途徑。一個這樣的靶標是NFX1-91，它通常抑制端粒酶的產生，端粒酶是一種允許細胞無限次數(shù)分裂的蛋白質。當NFX1-91被E6降解時，端粒酶水平升高，從而使抑制細胞生長的主要機制失活。另外，當E6與細胞轉錄因子E2F1 / DP1相互作用時，它可以作為轉錄輔因子，特別是轉錄激活因子。 。

? ? ? ?E6還可以結合PDZ結構域，PDZ結構域是在信號蛋白中經常發(fā)現(xiàn)的短序列。 E6的結構基序可以與DLG（大盤）和hDLG（大果蠅）腫瘤抑制基因上的PDZ結構域相互作用，在這些位置上的結合會導致DLG蛋白轉化并破壞其抑制功能。 E6蛋白還與MAGUK（膜相關鳥苷酸激酶家族）蛋白相互作用。這些蛋白，包括MAGI-1，MAGI-2和MAGI-3通常是結構蛋白，可以幫助信號傳導。更重要的是，它們被認為與DLG的抑制活性有關。當E6與MAGI蛋白上的PDZ域復合時，它會扭曲其形狀，從而阻礙其功能?？傮w而言，E6蛋白以某種方式阻止正常的蛋白活性，從而使細胞能夠以癌癥的特征增加的速率生長和繁殖。

? ? ? ?由于在HPV誘導的癌癥中維持惡性表型嚴格需要E6的表達，因此它是旨在根除已確立的子宮頸癌腫瘤的治療性HPV疫苗的誘人靶標。

E7

? ? ? ?在大多數(shù)乳頭瘤病毒類型中，E7蛋白的主要功能是使腫瘤抑制蛋白pRb家族的成員失活。 E7與E6一起可防止細胞死亡（細胞凋亡）并促進細胞周期進程，從而引發(fā)細胞復制病毒DNA。 E7還通過激活細胞端粒酶參與感染細胞的永生化。像E6一樣，E7也引起了廣泛的研究興趣，并被認為對受感染的細胞具有多種其他作用。與E6一樣，E7的持續(xù)表達對于源自HPV誘導的腫瘤的癌細胞系（例如HeLa）的存活是必需的。

E1

? ? ? ? E1蛋白是在病毒基因組的長控制區(qū)域中編碼與病毒復制起點結合的蛋白質。 E1使用ATP發(fā)揮解旋酶活性，迫使DNA鏈分開，從而為病毒基因組做好準備，以供細胞DNA復制因子復制。

E2

? ? ? ? E2蛋白充當主要位于長控制區(qū)的病毒啟動子的主要轉錄調節(jié)子。該蛋白質具有通過相對非結構化的鉸鏈區(qū)連接到特征明確的DNA結合結構域的反式激活結構域。 E2促進E1與病毒復制起點的結合。 E2還利用一種稱為Bromodomain-4（Brd4）的細胞蛋白將病毒基因組束縛在細胞染色體上。與細胞核基質的系鏈可確保細胞分裂后，病毒基因組忠實分布到每個子細胞。認為E2在潛在HPV感染的基底層角質形成細胞中充當癌基因E6和E7的表達的負調節(jié)劑。使E2表達失活的遺傳變化，例如將病毒DNA整合到宿主細胞染色體中，往往會增加E6和E7癌基因的表達，從而導致細胞轉化，并可能導致進一步的基因不穩(wěn)定。

E4

? ? ? ? 盡管E4蛋白在病毒感染的早期階段以低水平表達，但E4的表達在病毒感染的晚期階段顯著增加。換句話說，其“E”稱謂可能是用詞不當。對于HPV-1，E4最多可占疣表面總蛋白的30％。據信許多乳頭瘤病毒類型的E4蛋白可通過破壞角質形成細胞細胞骨架的中間細絲來促進病毒體釋放到環(huán)境中。無法表達E4的病毒突變體不支持病毒DNA的高水平復制，但目前尚不清楚E4如何促進DNA復制。 E4也已顯示參與細胞周期G2期的阻滯細胞。

E5

? ? ? ? E5是很小的疏水蛋白，會破壞被感染細胞中許多膜蛋白的功能。某些動物乳頭瘤病毒類型（主要是牛乳頭瘤病毒1）的E5蛋白主要通過激活血小板衍生的生長因子受體的細胞生長促進信號來起癌基因的作用。然而，與癌癥相關的人乳頭瘤病毒的E5蛋白似乎激活了配體結合后由表皮生長因子引發(fā)的信號級聯(lián)。 HPV-16 E5和HPV-2 E5還顯示出下調主要組織相容性復合I類蛋白的表面表達，這可能阻止感染的細胞被殺傷性T細胞清除。

L1

? ? ? ? ?L1自發(fā)自組裝成五聚體的衣殼。純化的衣殼可以繼續(xù)形成衣殼，通過相鄰L1分子之間的二硫鍵使衣殼穩(wěn)定。體外組裝的L1衣殼是針對幾種HPV類型的預防性疫苗的基礎。與其他乳頭瘤病毒基因相比，L1的大多數(shù)部分的氨基酸序列在類型之間都非常保守。但是，即使對于特定乳頭瘤病毒物種的不同成員，L1的表面環(huán)也可能存在很大差異。這可能反映了規(guī)避先前乳頭瘤病毒感染引起的中和抗體反應的機制。

L2

? ? ? ? ?L2在乳頭瘤病毒病毒體中以氧化狀態(tài)存在，兩個保守的半胱氨酸殘基形成分子內二硫鍵。除了與L1協(xié)同將病毒DNA包裝到病毒體中外，L2還顯示與多種細胞蛋白相互作用在傳染性進入過程中。病毒體與細胞的初始結合后，L2必須被細胞蛋白酶弗林蛋白酶切割。病毒體可能通過網格蛋白介導的過程被內在化為內體，在內體中，酸性條件導致膜-膜暴露。細胞蛋白β-肌動蛋白和syntaxin-18也可能參與L2介導的進入事件。內體逃逸后，L2和病毒基因組被導入細胞核，并進入一個稱為ND-10體的亞核域，該域富含轉錄因子。L2的小部分在不同類型的乳頭瘤病毒之間具有良好的保守性，針對這些保守域的實驗性疫苗可針對多種HPV類型提供保護。