致病機轉（PATHOGENESIS）
乳突病毒的演化（Papillomavirus Evolution）
歷史上，乳突病毒曾與多瘤病毒（polyomaviruses）歸為一類，但兩者在生物學與基因組織上根本的差異，使其於 2000 年被重新分類為獨立的科（family）。美國國家生物技術資訊中心（National Center for Biotechnology Information, NCBI）的核苷酸序列資料庫（www.ncbi.nlm.nih.gov）以及 Karolinska Institutet 國際 HPV 參考中心（www.hpvcenter.se）目前列出超過 200 種不同的 HPV 型別，以及許多尚未完整鑑定的推定新型 HPV。依定義，新型別在三個 HPV 基因（E6、E7 與 L1）的 DNA 序列上，與任何先前已鑑定的型別具有超過 10% 的差異度。差異度為 2%–10% 定義為亞型（subtype），<2% 則為變異株（variant）。
藉由比較不同型別乳突病毒基因體中保守部分的 DNA 序列，已建立一棵親緣關係樹，確立這些型別之間的相關程度。兩個大屬——α 與 β 乳突病毒——涵蓋幾乎所有已知的 HPV 型別，其中 α 屬包含在正常宿主中具致病性的黏膜型與皮膚型 HPV 型別，而 β 屬包含與 EV 相關的型別；γ、μ 與 ν 屬則包含其他的皮膚型型別。在每一屬內，HPV 型別依序列同源性再歸類為種（species），同一種內常具有相似的生物學與病理學特性（例如 HPV-16 與 -31）。目前的模式假設 HPVs 與人類祖先共同演化，而新的 HPV 型別或變異株是經由遺傳漂變（genetic drift），或經由適應特化生態棲位（ecologic niches）的天擇而產生。HPV 型別之間不會發生遺傳重組。
病毒學（Virology）
乳突病毒是無外套膜（non-enveloped）的雙股 DNA 病毒，直徑約 55–60 nm。球形的殼體（capsid）由兩種病毒編碼的蛋白組成：主要結構蛋白 L1 與次要結構蛋白 L2。在細胞內組裝病毒顆粒時，L1 蛋白形成稱為殼粒（capsomeres）的五聚體，而 72 個殼粒多聚化形成病毒殼體，具有二十面體對稱性，排列於 T = 7 的表面晶格上。殼體包圍病毒 DNA，藉此保護其免於降解，同時也使病毒能有效結合到標的細胞。被包裝的病毒 DNA 與 L2 及細胞的組蛋白（histones）結合，形成一個迷你染色體。相對地，早期（early, E）病毒蛋白並不被納入具感染力的病毒顆粒中。
當在細胞培養中表現時，乳突病毒的 L1 主要殼體蛋白會自我組裝成 VLPs，在形態上與天然病毒顆粒相似（圖 79.1）。乳突病毒 VLPs 呈現型別限制性與中和性抗原表位（epitopes），可用於偵測血清抗體，並作為預防性疫苗的基礎（見下文）。
HPV 基因體長度約 8 千鹼基（kilobases, kb），由三個區域組成：上游調控區（upstream regulatory region, URR）、早期區（early region）與晚期區（late region）（圖 79.2）。URR 長度約 1 kb，不含開放讀框（open reading frames, ORFs），並含有複製起點（origin of replication）以及許多轉錄與複製的控制元件。早期區長度約 4 kb，含有在乳突病毒生活史早期表現之基因的 ORFs。晚期區長度約 3 kb，編碼殼體蛋白（見上文）。
乳突病毒的生活史（Papillomavirus Life Cycle）
乳突病毒具高度物種專一性，在自然宿主組織以外並未觀察到具生產性的感染。乳突病毒的生活史只有在完全分化的鱗狀上皮中才能完成。這阻礙了在單層組織培養細胞中對其進行研究，因為在該環境下晚期基因表現與病毒顆粒生成並不會發生。只有少數 HPV 型別曾成功在小鼠異種移植（xenograft）或筏式培養（raft culture）系統中增殖，且產生的具感染力病毒顆粒數量有限。
當病毒進入增殖中的基底層上皮細胞時，即啟動具生產性的感染與過度增生的誘發（圖 79.3）。由於上方分化細胞層提供機械性屏障，此層細胞通常無法被病毒接觸到。因此，感染很可能需要上皮的擦傷或其他外傷，使基底細胞暴露於病毒。我們對感染早期步驟（如病毒進入與脫殼）的知識有限。介導病毒結合上皮細胞的受體尚未被確切鑑定，但結合似乎依賴 L1 主要殼體蛋白，而細胞表面及／或基底膜的硫酸乙醯肝素（heparan sulfate）是體外有效感染所必需。接著 L2 次要殼體蛋白的胺基端被 furin（一種前蛋白轉化酶 proprotein convertase）切割，此舉同時暴露出 L2 上的交叉中和抗原表位，以及一個結合位（一般認為位於 L1 上），後者透過角質形成細胞上推定的次級受體促進病毒進入。感染後，共價封閉的環狀 DNA 基因體在基底細胞核中建立為低套數的自主複製子（autonomous replicon），藉此形成病毒 DNA 的長期儲存庫。
病毒基因表現的程序與受感染細胞的分化狀態密切相關。E 基因在基底細胞層與棘細胞層以低量轉錄。感染後最先表現的基因是 E1 與 E2 基因，其負責控制其他病毒基因的轉錄與病毒基因體的複製。HPVs 並不編碼病毒 DNA 轉錄或複製所需的酵素。因此，HPV 完全依賴徵用細胞的機制來執行這些功能。HPV 蛋白 E5、E6 與 E7 的一項主要效應是使表皮細胞週期得以持續（該週期在基底上層細胞中通常是被阻斷的），如此在增殖性病毒複製期間，HPV 基因體套數才能被放大至高量，以供組裝成病毒顆粒（見圖 79.3）。高危險黏膜型 HPV 型別的 E6 與 E7 蛋白作為病毒致癌蛋白（oncoproteins），但低危險黏膜型與 EV 型別的相對應蛋白則不具此類功能。對於致癌性（例如 HPV-5、-8）與非致癌性 β HPV 型別之間可能的差異，理解仍然有限。
高危險黏膜型 HPV 的 E6 與其他細胞蛋白結合，造成細胞蛋白 p53 經泛素（ubiquitin）介導的降解。p53 濃度升高會使細胞停滯於細胞週期的 G1 期，或誘發細胞凋亡性死亡，因此 E6 促成的 p53 破壞移除了基底上層細胞週期的煞車。高危險黏膜型 HPV E7 的主要效應之一，是結合到低磷酸化型（underphosphorylated form）的 RB（視網膜母細胞瘤腫瘤抑制蛋白 retinoblastoma tumor suppressor protein）。低磷酸化 RB 的一項生理角色是結合並抑制 E2F 轉錄因子的功能（見圖 107.4）。當 HPV E7 結合 RB 時，E2F 自此抑制中被釋放，因而能夠誘發 DNA 複製所需基因的表現。E6 與 E7 均為多功能蛋白，雖然它們對 p53 與 RB 的效應至為關鍵，其他標的對病毒的致癌潛能也很重要。這些包括 E6 對端粒酶（telomerase）的活化、E7 與組蛋白去乙醯酶（histone deacetylases）的結合，以及兩種蛋白導致中心體異常（centrosome abnormalities）與染色體不穩定性的協同效應。
病毒顆粒結構蛋白的基因，即晚期（late, L）基因，在上皮終末分化的表層中表現。較表淺的上皮層也具有較高量的 E1 與 E2 表現以及病毒 DNA 的放大。被放大的基因體由 L1 與 L2 殼體蛋白包裹以產生具感染力的病毒顆粒，而病毒粒子可在上皮的顆粒層及其上方被觀察到。一般認為病毒組裝不會使細胞溶解；相反地，病毒隨角質層在細胞自上皮表面脫落時一併排出（見圖 79.3）。E4 蛋白被假設會破壞角質形成細胞內的細胞內絲狀網絡，此可能促進病毒自角質細胞（corneocytes）釋出。
宿主免疫反應（Host Immune Response）
持續性乳突病毒感染很常見，顯示 HPVs 已演化出逃避免疫監視的機制。生活史中並無病毒血症期，因此避免了全身性免疫反應。此外，在表皮的基底層與棘細胞層中，病毒蛋白僅低量表現，而該處正是最可能被 Langerhans 細胞與浸潤淋巴球辨識之處。只有在免疫上較具豁免性的終末分化層中，才有大量的病毒顆粒蛋白生成，且具感染力的病毒僅自上皮外表面排出。儘管乳突病毒在逃避免疫反應上相對成功，仍有高達三分之二的皮膚疣在 2 年內自行消退，而多發部位感染的病灶也常同時消退。在細胞媒介性免疫受抑制的病人中，疣的盛行率亦增加。相對地，具有體液性免疫潛在缺陷的病人似乎並不易罹患 HPV 感染，顯示細胞媒介性反應扮演主要角色。
雖然在表皮較下層僅產生少量的病毒顆粒殼體蛋白，但在超過半數具低度或無症狀生殖器 HPV-16 感染的女性中，仍可偵測到針對高危險型 HPV-16 構形性病毒顆粒抗原表位的專一性血清抗體。這些抗體是否在限制經由自體接種或受感染性伴侶而再次被同型別感染上扮演角色，目前並不清楚。
潛伏性 HPV 感染定義為 HPV DNA 持續存在於臨床與細胞學上正常的上皮中。然而，真正的病毒潛伏與伴隨低量 DNA 複製的持續性感染，兩者難以區分。HPV 進入潛伏狀態以及自潛伏中被活化的機制尚不清楚。
HPV 的致癌潛能（Oncogenic Potential of HPV）
不同的 HPV 型別具有顯著不同的致癌潛能。舉例而言，絕大多數子宮頸癌含有五種 HPV 型別之一的序列：16、18、31、33 或 45。相對地，HPV-6 或 -11 感染常見於良性或低度上皮內病變，但極少與肛門生殖器惡性腫瘤的發生相關。HPV-5 與 -8 的 DNA 序列常在與 EV 相關的 SCCs 中被偵測到。
HPV 相關子宮頸病灶進展為侵襲性癌症，典型上需要數十年。在目前的多階段致癌（multistage carcinogenesis）模式中，持續性 HPV 感染與額外基因突變的累積兩者皆為必需。病毒基因體隨機整合進宿主 DNA 是常見事件，且必然導致 E1 與 E2 表現的喪失。在 HPV-16 與 -18 中，E2 的功能是抑制 E6 與 E7 基因的轉錄。因此，一般認為整合會增加 E6 與 E7 的表現，而此二者在癌症中被選擇性保留並以升高的量表現，顯示其在致癌進展中扮演關鍵角色（見上文）。
致癌與非致癌 HPV 型別之間 E6 與 E7 基因活性的差異，主要解釋了進展風險的不同。來自高危險型 HPV（例如 16 與 18）的 E6 與 E7 蛋白，分別以較高的效率降解 p53 與交互作用於 RB，勝過來自低危險型（例如 6 與 11）的 E6 與 E7 蛋白。E6 對 p53 的降解，使受感染細胞失去主要的「基因體守護者」（即在細胞 DNA 受損時負責使細胞週期停滯的蛋白），可導致受感染細胞中基因突變的累積。因此，致癌性進展似乎被 E6 與 E7 表現的增加，以及外在致癌物的作用所促進或促成，造成基因體不穩定性。
圖 79-1：純化 HPV-16 類病毒顆粒（VLPs）的穿透式電子顯微照片。
圖 79.1 純化 HPV-16 類病毒顆粒（virus-like particles, VLPs）的穿透式電子顯微照片。一種含有 HPV-6、-11、-16、-18、-31、-33、-45、-52 與 -58 VLPs 的預防性疫苗已獲核准用於預防肛門生殖器疣與癌症。在細胞培養中表現後，L1 殼體蛋白自我組裝成 VLPs（直徑約 50 nm、不含 HPV DNA 的空殼體），呈現與天然病毒顆粒相似的型別限制性與中和性表面抗原表位。承蒙 Saeed Shafti-Keramat 提供。
圖 79-2：HPV-16 基因體的基因組織。
圖 79.2 HPV-16 基因體的基因組織。此為 7.9 kb 環狀雙股基因體的線性化圖譜。所有開放讀框（ORFs）皆位於同一股上。早期（E）與晚期（L）區已標示。上游調控區（URR）含有複製起點以及轉錄與複製的控制元件。
圖 79-3：乳突病毒的生活史。
圖 79.3 乳突病毒的生活史。此圖描繪一個具生產性（產生病毒顆粒）的良性疣。改編自 Orth G. Epidermodysplasia verruciformis. In: Salzman NP, Howley PM (eds). The Papovaviridae: Volume 2 The Papillomaviruses. New York: Plenum Press; 1987:199–243。