人类肿瘤病毒致癌机制的多样性

吴克复 马小彤 郑国光 宋玉华

马小彤，博士，研究员，博士生导师。近年来主要研究方向为造血干细胞生物学及白血病发生机制。以课题负责人身份完成1项国家“863”课题、8项国家自然科学基金资助项目、3项天津市应用基础重点项目、1项天津市自然科学基金资助项目和2项中国医学科学院医学与健康科技创新工程项目。以骨干身份参加两项国家重点研发计划项目。获天津市自然科学二等奖、三等奖各1项。发表论文99篇, 其中SCI收录27篇，多篇发表于《Blood》、《Cancer Research》、《Stem Cells》、《Haematologica》、《Mol Cancer Ther》、《Gene Therapy》等杂志。参编专著9部，译著1部。

病毒作为纳米生物,是原始生物与细胞生物共进化博弈的产物[1,2]。肿瘤病毒由多种纳米生物与脊椎动物共进化形成，所以有不同种类的肿瘤病毒在野生动物中传播，通过一个多世纪来对家禽和实验动物的研究获得了多项证明。近20多年来对澳大利亚塔斯马尼亚袋獾的鬼脸肿瘤病(devil facial tumor disease, DFTD)的病毒学研究，观察到γ疱疹病毒与宿主的进化博弈历程。塔斯马尼亚袋獾是濒临灭绝的肉食有袋类动物，通过互相撕咬传播病毒，导致DFTD 在种群中广泛传播，加上其他因素致使种群濒临灭绝[3]。多年的研究确证有7种病毒导致人类肿瘤，约占人类所有肿瘤病例的12%。这些病毒的致癌因子、靶组织和癌症的病理过程不同，显示出致癌作用机制的多样性[4～6]。

一、人类肿瘤病毒的多样性

不同的肿瘤病毒有不同的起源和作用机制。人类肿瘤病毒是人类与病毒共进化博弈的产物，源自相关动物病毒的祖先。多数人在一生中至少会感染一种已知的人类肿瘤病毒，初始感染并不引发肿瘤，在免疫抑制或有致癌物刺激时感染的细胞可以获得肿瘤标志物。但是，真正形成肿瘤的属少数。有些人群中广泛感染的病毒，在其他因素协同作用下可以形成肿瘤，如乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)和丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)。

人类肿瘤病毒是种属特异性的，不能感染实验动物引起肿瘤，增加了确定人类肿瘤病毒的难度。至今确认的人类肿瘤病毒都经过临床流行病学、基础和实验研究，有的经过大规模疫苗接种降低肿瘤发生率作为旁证等多方面的资料证实。已知的7种人类肿瘤病毒分别属于6个不同的病毒科(表1)。

表1 已确认的人类肿瘤病毒[4,7～13]

二、病毒致癌机制的多样性和多层面性

1.病毒致癌的一般机制:病毒感染致癌的机制至少有3方面：①病毒编码致癌蛋白；②病毒引起慢性炎症;③病毒引起宿主细胞基因组不稳定，或引起其他宿主细胞改变而导致癌变。肿瘤病毒将其遗传物质整合到宿主细胞基因组中对细胞转化至关重要，还有通过干扰有丝分裂和细胞周期过程，导致基因突变、染色体重排和不受控制的细胞分裂。转化后的细胞可以进一步发展为无限期生长的不死状态。DNA病毒的遗传物质直接插入宿主基因组导致肿瘤发生，RNA病毒在插入宿主基因组之前必须将RNA反转录为DNA。宿主细胞转化的机制是病毒基因组插入宿主细胞基因组引起的细胞代谢变化、细胞周期改变和对肿瘤抑制基因的灭活，包括细胞的持续增殖、细胞能力学改变、遗传不稳定性、诱导血管生成，直至肿瘤细胞的侵袭和转移。

所有的人类肿瘤病毒都能引起持续性感染，导致感染细胞的生物学作用及特征改变，破坏宿主的抗病毒防御机制。执行后两种作用的病毒蛋白往往有致癌性，包括抑制细胞凋亡、增强细胞增殖和增加基因组的不稳定性。炎性反应产生的反应氧簇(ROS)引起基因组的不稳定性，也刺激细胞增殖替代损伤组织。多数人类肿瘤病毒感染本身不足以启动致癌机制，往往需要附加致癌因素的协同作用。许多病毒相关的肿瘤有不同的病毒癌蛋白表达和不同的作用机制(表1)。在癌蛋白作用下的异常运行，称为“癌性调节”(oncomodulatory)；有些病毒感染后丢失病毒序列，不易测出，称为“打了就走”(hit and run) (图1)[7]。

图1 病毒与细胞相互作用致癌图解[7]*细胞无效反应(cell abortive response), 尤其是免疫细胞的无效反应

2.EB病毒致癌机制的多层面性:EBV是第一个确认的人类肿瘤病毒，经过近半个世纪的研究，对其致病机制有较详细的了解。约95%的人携带终身无症状的EBV感染，持续存在于记忆B细胞池。机体与病毒感染平衡的破坏可以导致EBV相关的肿瘤，以 B细胞淋巴瘤最为多见[14,15]。EBV编码6个核抗原，分别为EBNA1、2、3A、3B、3C和LP；两个膜蛋白分别为LMP1和LMP2，以及不编码蛋白的小RNA (EBERs) 和 miRNAs。EBV感染的细胞机制有多种，隐性感染可分为4种类型：病毒所有基因都表达的Ⅲ型隐性感染往往出现于健康的EBV带毒者，移植后淋巴增殖性疾病(PTLD)，HIV相关的免疫母细胞淋巴瘤，某些弥漫性大B细胞淋巴瘤(DLBCL)患者的B细胞；Ⅱ型隐性感染主要存在于生发中心B细胞，仅表达EBNA1 和两个潜伏膜蛋白，以及非编码RNAs，可出现于霍奇金淋巴瘤(HL)；Ⅰ型隐性感染仅瞬时表达核抗原EBNA1，可出现于Burkitt淋巴瘤细胞(BL)；记忆B细胞中则存在没有EBV蛋白表达的0型隐性感染。浆细胞分化可诱导感染性病毒颗粒的产生，可出现于原发性渗出性淋巴瘤(PEL)[16]。

多年的研究资料表明，EBV引起宿主基因组高甲基化。自1990年首次发现胃癌组织中有EBV以来，引起广泛关注，推测全球有约10%的胃癌病例与EBV感染相关，这类胃癌被称为EBV相关胃癌(EBVaGC)。EBVaGC在所有的肿瘤中是甲基化程度最高的，EBV感染直接引起胃上皮细胞和病毒基因组的高甲基化，不仅使肿瘤抑制基因、细胞周期基因沉默，还抑制分化相关基因表达(表2)，导致细胞出现低分化高增殖状态[17]。

表2 EBV相关胃癌中被沉寂的细胞分化基因[17]

3.乙型肝炎病毒的致癌作用：乙型肝炎病毒具有3.2kb的小的环形DNA基因组，部分双链，编码4个重叠的开放阅读框。通过直接和间接的机制促进肝癌的发生、发展。在克隆性肿瘤扩张的早期，HBV DNA整合到宿主基因组，引起基因组不稳定性以及各种癌症相关基因的插入突变。HBV基因组编码7种蛋白质：HBx、核心、聚合酶、L-、M-、S-HBsAg和前核/HBeAg。HBx是HBV编码的调节蛋白，含有154个氨基酸，相对分子质量为17kD，由被感染的细胞分泌。HBx蛋白被证明是病毒复制必需的关键性调控蛋白，具有明显的致癌性[4,18,19](图2) 。

图2 HBx在肝细胞腺癌发生、发展中的作用HBx在肝细胞腺癌(hepatocellular carcinoma, HCC)发生、发展中的作用可归纳为：HBx抗原诱导宿主细胞基因组不稳定，改变多种细胞因子的表达，阻断抗病毒信号

病毒学研究确定HBV至少有8个基因型 (A～H)，基因差异为8%～17%。在不同的种族和地区有不同的分布。HBV基因型与疾病的严重程度相关，提示有更多层面的作用机制。研究表明HBV能影响众多基因，诱导肝癌发生(表3)[20]。

表3 乙肝病毒下调部分基因-诱导肝癌[20]

4.丙型肝炎病毒的致癌作用：丙型肝炎病毒与肝癌的发生密切相关。流行病学研究和Meta分析提示，慢性HCV感染增加罹患肝胆管性肝癌、胰腺癌和非霍奇金淋巴瘤的发生率。在培养的肝细胞中过表达HCV NS 5A可以诱导有丝分裂退出延迟，并导致进一步的有丝分裂异常，进而引起染色体不稳定，甚至出现非整倍体。此外，HCV NS 5A还可通过PKR-p38信号通路下调有丝分裂纺锤体调节器ASPM，导致染色体不稳定。HCV感染或肝癌核心蛋白的表达会导致多倍体细胞形成。HCV是RNA病毒不能直接整合到细胞基因组中，必须通过病毒蛋白与细胞的复杂作用施加间接影响，改变遗传和表观遗传机制，导致癌基因激活、抑癌基因失活，以及多种信号转导途径的调节失调，引起复杂的多种反应，引发炎症、纤维化和肝硬化，发展成肝癌(图3)[21,22]。

5.人类乳头状瘤病毒的致癌作用：作为最古老的病毒家族之一，人乳头瘤病毒(human papilloma virus,HPV)属于乳头状瘤病毒科。目前为止，已被鉴定和测序的人类及动物的乳头状瘤病毒基因型超过200种。在感染肛门、生殖道的约30种HPV中，15种被归类为“高危”型(16、18、31、33、35、39、45、51、52、56、58、59、68、73和82)与宫颈癌相关。其中，HPV16和HPV18是最常见的类型，导致约70%的鳞状细胞癌，>90%的腺癌；11种 “低风险”HPV型(6、11、40、42、43、44、54、61、70、81和cp6108)主要与生殖器疣和宫颈良性病变有关[23]。

图3 丙型肝炎病毒(HCV)诱发肝癌的分子机制[21]HCV的致癌效应通过HCV病毒蛋白起作用：抑制凋亡；刺激细胞增殖；产生ROS和纤维化。导致基因组不稳定和肝硬化，终于发生肝细胞腺癌

HPV是直径为50～55nm的无包膜DNA病毒。该病毒79kb的环状双链DNA包括两个编码区：含早期基因E1、E2、E4、E5、E6、E7的早期区和包含两个晚期基因L1、L2的晚期区。还有一个非编码区，称为长控制区(LCR)，含有内含子、增强子序列，参与调控病毒DNA的复制和转录。在HPV感染期间，不同的病毒蛋白按顺序表达。E6、E7、E1和E2是刺激增殖和驱动病毒基因组复制至高拷贝数的关键。HPV基因组整合到宿主染色体时发生E2区断裂或丢失，随后E6和E7基因表达上调。随着被感染细胞的分化, L1 和 L2 蛋白表达，促使病毒组装成新的病毒颗粒，引发新的感染。在HPV复制周期的早期阶段，E6和E7被激活，与抑癌蛋白Rb和p53结合，诱导肿瘤发生。E6与p53的结合引起p53的降解。E7与pRb的结合导致pRb和E2F复合物的解离，使细胞增殖失去控制。E7的高表达还可以导致中心体过度复制引起染色体不稳定；E7与γ微管蛋白结合，改变其对中心体的募集，导致有丝分裂失效或细胞分裂失败(图4)[23～26]。

图4 宫颈癌发展的分子机制[23]HPV的持续性感染使其整合到宿主细胞的基因组中，引起E6、E7高表达。E7与pRb相互作用引起S-相异常启动，释放E2F转录因子，使细胞周期调节紊乱，导致细胞永生和转化。E6使p53降解，引起凋亡减少和DNA损伤；E6激活PI3K/Akt途径，与细胞蛋白NFX1作用诱导hTERT激活，导致细胞的永生性和转化。E6和E7与DNMT1的作用导致甲基化致使肿瘤抑制基因沉寂。E7与HDAC1作用引起染色质重构和基因组不稳定。E6和E7对多途径的作用在宫颈癌的发展中起关键性作用

HPV高水平的病毒基因表达和病毒颗粒的产生仅限于上皮细胞的最上层，免疫监测机制达不到这些层面的组织。这种方式使HPV能够逃避机体免疫反应机制。由于病毒基因组的编码能力较小，HPV依赖于宿主DNA复制机制合成其DNA。为了支持生产性复制，HPV利用了许多机制破坏调节宿主细胞复制的关键调控途径，维持在细胞周期中活跃的分化细胞。因此，HPV能够重新激活细胞基因和信号通路，这是支持晚期基因表达和扩增所必需的[23]。

三、展 望

人类肿瘤病毒是不同进化阶段原始生物的后裔，与多细胞生物共进化博弈适应了人体微环境，能在人类体内繁衍生存。不同的病毒有不同的致癌机制，因此防治的靶标和措施不尽相同。肿瘤病毒本身不足以促进肿瘤的发展，其他辅助因子，如慢性炎症、环境诱变剂和免疫抑制参与了癌症的发展，因此病毒致癌的发生率不高[27]。了解致癌机制和相关因素，有助于新的防治肿瘤方法的探索，并为纳米生物学理论研究提出了新的课题[1]。对肿瘤病毒的溯源涉及对生命起源的探讨，人类肿瘤病毒多样性的研究成果为生命起源的探讨提供了新的线索[28]。