2018, Vol. 13
人乳头瘤病毒(human papillomavirus，HPV)是无包膜DNA病毒，已发现超过200种亚型，且约1/3可感染生殖道鳞状上皮。高危型HPV是宫颈癌的主要病原体，特别是HPV16、HPV18、HPV31和HPV35，与宫颈癌关系更为密切，占90%以上。建立持续性感染是HPV引发宫颈癌的前提，而逃避天然免疫和适应性免疫的监督则是必要条件。Janus激酶/信号转导与转录激活因子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT)通路是调节先天免疫反应的主要途径。JAK/STAT通路的激活由外界细胞因子、生长因子和干扰素(interferon，IFN)介导，导致下游数百个基因表达增加，从而促进或抑制HPV扩增[1]。HPV与STAT之间有多重关联，本文仅就JAK/STAT信号通路与HPV感染导致宫颈癌的关系进行综述。
1 HPV蛋白和病毒复制周期HPV基因组长约8 kb，含有早期基因、晚期基因和调节基因及至少8个开放读码框，分别编码E1、E2、E4、E5、E6、E7早期蛋白，以及L1、L2衣壳蛋白。HPV感染上皮基底细胞，其生命周期与上皮细胞分化密切相关。在HPV生命周期中，病毒E1 ~E4蛋白水平随基因组扩增而上升，E4蛋白在上皮细胞中积累以支持病毒合成。E1~E4蛋白通过其N端富含亮氨酸的基序与细胞角蛋白相关联，最终有助于病毒颗粒释放[2]。最近研究表明，病毒与宿主的相互作用可能影响病毒基因组扩增，破坏HPV16 E1~E4角蛋白结合基序，导致病毒生命周期中的扩增缺陷[3]。在未分化和分化细胞中，E6、E7蛋白均对HPV生命周期有调节作用，并在维持病毒游离基因中发挥重要作用。
HPV生命周期依赖上皮细胞分化。由于HPV仅编码少量蛋白，它们必须利用宿主细胞的复制酶进行复制[4]。HPV感染鳞状上皮基底细胞后，其基因组在细胞中维持低水平(每个细胞中约100拷贝)。在已感染的基底细胞中，HPV的游离基因和细胞染色体一起复制，并均匀分配至新的基底细胞中，子代基底细胞将继续分化。随着这种被感染的子代基底细胞的分化，病毒基因组将复制至上千个拷贝数。然而，关于最初病毒进入细胞后病毒早期基因表达的机制、病毒蛋白如何靶向作用于天然免疫应答等有关信息，还知之甚少。
2 HPV感染引起IFN水平变化病原体进入人体后，由可识别非自身分子的模式识别受体(pattern recognition receptor，PRR)识别，即识别病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)。PAMP包括细菌表面的脂多糖、内毒素及病毒基因组的核酸基序。病毒感染后被PRR识别，常导致下游信号转导通路级联式激活，包括干扰素调节因子(interferon regulatory factor，IRF)通路、STAT通路，以及细胞因子如IFN、白细胞介素(interleukin，IL)的产生。IFN家族主要有3型。人类细胞中，Ⅰ型包括IFN-α、IFN-β、IFN-ε、IFN-κ、IFN-ω等；Ⅱ型为IFN-γ；Ⅲ型包括IFN-λ1、IFN-λ2、IFN-λ3等。IRF家族有9个成员，无活性的IRF最初位于细胞质中，识别病毒感染后处于激活状态，并发挥不同的作用。其中IRF1、IRF3、IRF5、IRF7是Ⅱ型IFN的主要活化剂，而IRF2是IRF1活性的负调节物。
同时，HPV感染后可抑制宿主细胞IFN信号转导，此过程是通过调节IRF来降低IFN合成。HPV16 E7通过组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)依赖机制阻断IRF1的表达。相似的是，过表达HPV38 E6和E7可下调IRF1和主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex，MHC)Ⅰ重链表达[5]。HPV16 E6蛋白也以IRF为靶点，并与IRF3结合来抑制转录活性。上述因子相互作用，使HPV蛋白下调IRF，并降低IFN-α、IFN-β、IFN-κ的表达[6]。IFN-κ是皮肤组织中特异表达的独特IFN，可能是影响HPV感染的主要亚型。有研究显示，HPV E6通过调节IFN-κ启动子的甲基化来抑制其表达[6]，也能引起PRR表达模式变化[7]。IRF被认为是直接调节HPV转录反馈回路的一部分，因为在角质细胞中IRF-2可激活E6和E7启动子[8]，而IRF-3抑制HPV8表达[9]。
3 STAT蛋白的激活及作用STAT蛋白家族有7个成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5α、STAT5β和STAT6。它们可被细胞中的一系列信号蛋白激活，如细胞因子、生长因子、与细胞表面特定受体结合的激素等。STAT蛋白激活磷酸化后形成同源或异源二聚体，迁至胞核并参与细胞生理或病理过程，包括增殖、分化、凋亡、血管生成[10]，以及细胞转变、癌形成等[11]。
STAT1、STAT2与Ⅰ和Ⅱ型IFN的调节有关，而STAT5受细胞因子的调节并可激活一系列下游基因。感染病毒的细胞在识别感染后进行IFN合成与分泌，然后胞外IFN与邻近细胞的受体结合并激活JAK/STAT通路，从而刺激数百种基因表达，阻断病毒传播。在典型的Ⅰ型IFN通路中，IFN-α和IFN-β与异源二聚体跨膜IFN-α受体(interferon α receptor，IFNAR)结合。IFNAR的参与可激活受体相关的JAK1和酪氨酸激酶2(tyrosine kinase 2，TYK2)，磷酸化胞质中无活性的STAT蛋白。与此相似，IFN-γ结合IFN-γ受体(interferon γ receptor，IFNGR)，激活JAK1和JAK2，磷酸化STAT蛋白。
在未感染细胞中，未磷酸化的STAT蛋白定位于胞质中。受体与IFN结合后，STAT蛋白受体相关激酶磷酸化，如JAK1、JAK2和TYK2。磷酸化后，STAT1和STAT2形成异源二聚体，并与IRF9形成复合物，即干扰素刺激基因因子3(interferon-stimulated gene factor 3，ISGF3)。ISGF3复合物迁至细胞核，与位于超过100个抗病毒基因(即ISG)的启动子区域中的干扰素刺激应答元件(interferon-stimulated response element，ISRE)结合，并诱导抗病毒基因表达。其中两个重要的抗病毒因子是RNA依赖蛋白激酶(RNA-dependent protein kinase，PKR)和核糖核酸酶L(RNase L)，PKR可阻止病毒蛋白翻译，RNase L介导病毒RNA降解。IFN-γ与其受体结合后激活JAK激酶，使STAT1蛋白磷酸化，形成同源二聚体，并迁至细胞核，与活化的IFN-γ激活序列(interferon γ activated sequence，GAS)结合，该序列元件位于诱导ISG表达的启动子中。ISGF3和STAT1同源二聚体可激活一组重叠的基因[12]。同样，STAT5在胞质中以未磷酸化的形式存在，细胞因子与细胞因子受体结合使STAT5磷酸化，并使STAT5的STAT5α和STAT5β这两个亚型形成同源或异源二聚体，这些二聚体可激活一系列下游基因，但与STAT1和STAT2激活的基因不同[12]。最近研究还表明，未磷酸化的STAT1和STAT2可与IRF9形成三聚体复合物以诱导少数基因的表达，而这些基因有抗病毒或免疫调节的功能[13]。
4 STAT蛋白与HPV感染的关系 4.1 HPV感染抑制STAT1表达，STAT1表达抑制HPV复制如上所述，HPV感染后通过调节IRF来降低IFN合成，而IFN是STAT通路激活的主要细胞因子，其表达下降导致STAT激活减少。除抑制IFN表达，HPV蛋白还干扰JAK/STAT通路诱导，其中高危型HPV E6的重要靶标是转录因子P53，E6与细胞E3泛素连接酶即E6相关蛋白(E6-associated protein，E6AP)结合以降解P53，也可通过阻止其乙酰化来抑制P53功能，进而抑制STAT1表达。E7可与ISGF3复合物中的P48结合，阻止该复合物向核迁移，从而抑制ISG基因表达。HPV31和HPV16阳性宫颈角质上皮的微阵列分析表明，E6和E7可抑制STAT1转录，但不抑制STAT2转录，导致HPV31阳性角质上皮中STAT1表达抑制及下游基因转录相应降低。高危型HPV蛋白可抑制一系列ISG表达，包括黏液病毒抗性蛋白1(myxovirus resistance 1，MX1)、IFN诱导的四肽重复蛋白(IFN-induced protein with tetratricopeptide repeats，IFIT)和2′-5′寡聚腺苷酸合成酶(2’-5’-oligoadenylate synthetase，OAS)。然而，一旦增加外源IFN，这些基因表达可恢复至正常水平。有研究表明，IFIT1与E1复制蛋白结合，使E1在胞质中聚集，导致HPV复制减少[14]。与IFIT1不同，IFIT系列的其他成员，如干扰素诱导跨膜蛋白(IFN-induced transmembrane protein，IFITM)对HPV感染无任何抑制作用[15]。病毒蛋白一般以活化的双链DNA蛋白激酶为靶点，且可抑制PKR表达，导致真核生物翻译起始因子2α(eukaryotic translation initiation factor 2α，eIF2α)下降。此外，HPV E6可使PKR定位于胞质P体中，进一步抑制PKR活性。
分化细胞中，HPV蛋白对STAT1表达的抑制对病毒游离基因的维持和扩增至关重要[16]。用表达STAT1的载体转染HPV感染细胞使其恢复蛋白表达水平时，可发现细胞中HPV基因组数量迅速下降，感染细胞的分化、扩增受到抑制，而整合HPV基因组的细胞成为主要类型。这种对HPV的抑制是通过STAT1本身还是下游分子发挥作用，还不清楚。此外，HPV与STAT1共同作用可激活核蛋白P300/CBP和MCM5。HPV E6结合P300/CBP能减少P53乙酰化，而P53可阻断IFN诱导的细胞生长停滞。在所有HPV阳性鳞状或腺状细胞发育不良等级中，MCM5水平升高，但其在HPV生命周期中的作用尚不清楚。以上结果表明，抑制STAT1在HPV感染中有重要作用。
4.2 HPV感染促进STAT3表达及激活STAT家族的其他成员如STAT3和STAT5在HPV阳性细胞中的调节与STAT1不同，它们与细胞增殖、分化和天然免疫应答调节有关。在很多人类肿瘤细胞系中发现STAT3，如卵巢癌、前列腺癌、乳腺癌等[17]。有报道称STAT3的表达随宫颈病变分级升高而增加，并表明STAT3的表达与HPV感染有关，HPV16/18阳性组织中STAT3的表达比HPV阴性组织高[18]。另有研究表明，HPV阳性细胞中STAT3表达增多，这是由于E6和E7降低miRNA-125水平，后者可调节STAT3合成[19]。用小干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)或药理学抑制剂抑制STAT3活性，可导致P53和pRb积累，从而降低HPV基因表达[20]。用HPV E6特异siRNA沉默E6，可导致STAT3信号转导消除；而高表达HPV E7，则增加STAT3磷酸化。
4.3 STAT5与HPV感染STAT5由两个亚型组成，包括STAT5a和STAT5b。有研究表明，敲除小鼠STAT5a、STAT5b基因可表现出围生期致死表型，且严重损伤淋巴细胞的发育及分化[21]。另有研究在HPV31阳性细胞中，利用匹莫齐特直接抑制STAT5表达，结果阻断了HPV31基因组的扩增及HPV晚期基因的表达[1]。此外，高危型HPV蛋白表达可诱导STAT5激活，而STAT5的活化可诱导毛细血管扩张性共济失调突变基因(ataxia telangiectasia mutated，ATM)DNA损伤修复途径。用短发夹RNA(short hairpin RNA，shRNA)下调STAT5水平，则抑制ATM DNA损伤通路的激活[1]，激活的ATM通路对HPV基因组扩增是必需的[22]，但对游离基因的稳定维持作用甚微。HPV蛋白通过糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK3β)和TiP60来诱导ATM活化。此外，高危型HPV蛋白也会激活共济失调性毛细血管扩张和Rad3相关通路(ataxia telangiectasia and Rad3-related, ATR)，ATR通路介导单链DNA的断裂修复，可进一步调节HPV复制。STAT5调节ATR活性，部分是通过抑制ATR的结合物拓扑异构酶Ⅱ结合蛋白1(topoisomerase Ⅱ-binding protein 1，TopBP1)的转录来实现的[23]。
HPV感染过程中，HPV抑制STAT1表达，却激活STAT5。Ⅰ或Ⅱ型IFN与受体结合，激活相关激酶，诱导STAT1磷酸化。TYK2激酶可被HPV E6调节。磷酸化的STAT1与STAT2形成同源二聚体或异源二聚体，迁至细胞核以激活超过百种基因的表达。HPV E6或E7抑制STAT1转录。相比之下，HPV能促进STAT5磷酸化，并入核发挥作用[24]。此外，HPV蛋白可调节宿主免疫因子，HPV E6与P300/CBP结合可抑制P53乙酰化。E6也可调节CBP和IFR3；而E7通过P48抑制ISGF3的核迁移，进而抑制STAT1依赖的下游基因的诱导及表达(图 1)。
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| 图 1 HPV调控STAT信号通路 Fig. 1 Regulation of STAT pathway by HPV |
STAT是天然免疫应答的重要调节因子，HPV靶向该途径的成员建立持续感染。其中STAT1的表达在HPV感染细胞中被抑制，且胞外IFN与邻近细胞的受体结合激活JAK/STAT通路，磷酸化后STAT1和STAT2形成异源二聚体并与IRF9形成复合物，该复合物迁至细胞核，诱导抗病毒基因表达，从而抑制HPV基因的表达和扩增。STAT5在HPV感染细胞中被激活，并通过抑制STAT5激活以阻断HPV基因组扩增。STAT5通过激活ATM DNA损伤途径来调节基因组扩增。综上所述，HPV感染与STAT信号转导通路之间的关系是复杂的，但有章可循，通过探究它们之间的关系，可为临床抗HPV感染的治疗提供新的思路和方向。
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