致病機轉 (Pathogenesis)
乳突病毒的演化與分類
- 歷史上乳突病毒與多瘤病毒 (polyomaviruses) 曾被歸在一起，但因其生物學與基因組織根本不同，2000 年被重新分類為獨立的科。
- 目前列有超過 200 種不同 HPV 型，另有許多未完整鑑定的推定新型。
- 定義：
- 新型 (novel type)：在三個 HPV 基因（E6、E7、L1）的 DNA 序列上與任何先前鑑定的型有 >10% 差異。
- 亞型 (subtype)：差異 2%–10%。
- 變異型 (variant)：差異 <2%。
- 比較不同型間乳突病毒基因體的保守區段 DNA 序列，可產生建立各型間相關程度的演化樹。
- 兩大屬 α- 與 β-papillomaviruses 涵蓋幾乎所有已知 HPV 型：
- α 屬：含在正常宿主有致病性的黏膜型與皮膚型 HPV。
- β 屬：含與 EV 相關的型。
- γ、μ、ν 屬：含其他皮膚型。
- 每屬內 HPV 型依序列同源性歸入種 (species)，同種常有相似的生物與病理特性（如 HPV-16 與 -31）。
- 現行模型假設 HPV 與人類祖先共同演化，新的 HPV 型或變異型經基因漂移 (genetic drift) 或藉採用特化生態棲位的自然選擇而產生。
- HPV 型之間不發生基因重組 (genetic recombination)。
病毒學
- 乳突病毒為無外套膜、雙股 DNA 病毒，直徑約 55–60 nm。
- 球形殼體 (capsid) 由兩種病毒編碼蛋白組成：主要結構蛋白 L1 與次要結構蛋白 L2。
- 病毒粒組裝時，L1 蛋白形成稱為 capsomeres 的五聚體；72 個 capsomeres 多聚化形成具二十面體對稱、排列於 T = 7 表面晶格的病毒殼體。
- 殼體包圍病毒 DNA 以保護其免於降解，並使病毒能有效結合標的細胞。
- 包裝的病毒 DNA 與 L2 及細胞組織蛋白 (histones) 結合，形成迷你染色體。
- 相對地，早期 (E) 病毒蛋白不被納入感染性病毒粒。
- 在細胞培養中表達時，L1 主要殼體蛋白會自我組裝成 VLPs，型態類似原生病毒粒；VLPs 呈現型限定與中和抗原決定位，用於偵測血清抗體並作為預防性疫苗的基礎。
- HPV 基因體約 8 kilobases (kb)，由三個功能區組成：
- 上游調控區 (upstream regulatory region, URR)：約 1 kb，缺乏開放讀框 (ORFs)，含複製起點與許多轉錄與複製的控制元件。
- 早期區 (early region)：約 4 kb，含生命週期早期表達基因的 ORFs。
- 晚期區 (late region)：約 3 kb，編碼殼體蛋白。
乳突病毒生命週期
- 乳突病毒高度物種專一，在自然宿主組織之外未觀察到有生產力的感染。
- 生命週期只在完全分化的鱗狀上皮中完成，這阻礙了在單層組織培養細胞中的研究（該環境不發生晚期基因表達與病毒粒產生）。
- 只有少數 HPV 型成功在小鼠 xenograft 或 raft 培養系統中繁殖，且僅產生有限量的感染性病毒粒。
- 起始：當病毒進入增生中的基底上皮細胞時，開始有生產力的感染與誘發過度增生。因上覆分化細胞層提供機械屏障，此細胞層正常不可及，故感染很可能需要上皮的擦傷或其他創傷來暴露基底細胞。
- 對病毒進入與去殼等早期步驟的知識有限。
- 介導病毒與上皮細胞結合的受體尚未確定鑑定，但結合似乎依賴 L1 主要殼體蛋白，且細胞表面與／或基底膜的 heparan sulfate 是體外有效感染的必要條件。
- L2 次要殼體蛋白的胺基端隨後被 furin（一種前蛋白轉化酶）切割，暴露出 L2 上的交叉中和抗原決定位以及一個結合位（推測在 L1 上），後者經由角質細胞上推定的次級受體促進病毒進入。
- 感染後，共價閉合環狀 DNA 基因體在基底細胞核內建立為低拷貝自主複製子 (autonomous replicon)，形成病毒 DNA 的長期儲存庫。
病毒基因表達與分化的耦合
- 病毒基因表達程序與受感染細胞的分化狀態密切連結。
- E 基因在基底層與棘層低量轉錄。
- 感染後最先表達的是 E1 與 E2 基因，負責控制其他病毒基因的轉錄與病毒基因體的複製。
- HPV 不編碼病毒 DNA 轉錄或複製所需的酵素，完全依賴徵用細胞機制。
- HPV E5、E6、E7 蛋白的一個主要效應是：使正常應停止的基底層上方細胞週期繼續進行，讓 HPV 基因體拷貝數在營養性病毒複製期間可放大至高量以供組裝成病毒粒。
- 高風險黏膜 HPV 型的 E6 與 E7 蛋白作為病毒致癌蛋白 (viral oncoproteins)；低風險黏膜型與 EV 型的對應蛋白則無此功能。
- 對於致癌性（如 HPV-5、-8）與非致癌性 β HPV 型之間可能的差異，了解有限。
E6 與 E7 的作用機制
- E6（高風險黏膜 HPV）：與其他細胞蛋白合作，造成細胞蛋白 p53 的泛素介導降解。p53 濃度升高會使細胞停滯於細胞週期 G1 期或誘發凋亡；E6 促進的 p53 破壞因此移除了基底上方細胞週期的煞車。
- E7（高風險黏膜 HPV）：主要效應之一是結合低磷酸化型的 RB（視網膜母細胞瘤腫瘤抑制蛋白）。低磷酸化 RB 的生理角色是結合並抑制 E2F 轉錄因子；當 HPV E7 結合 RB，E2F 便自此抑制中釋放，因而能誘發 DNA 複製所需基因的表達。
- E6 與 E7 皆為多功能蛋白，除對 p53 與 RB 的關鍵效應外，其他標的對病毒致癌潛能亦重要：
- E6 活化端粒酶 (telomerase)；
- E7 結合組織蛋白去乙醯酶 (histone deacetylases)；
- 兩者的協同效應導致中心體異常與染色體不穩定。
晚期基因與病毒釋出
- 病毒粒結構蛋白的基因（晚期 L 基因）在上皮的終末分化表層表達。
- 較表層的上皮層也有較高的 E1 與 E2 表達以及病毒 DNA 放大。
- 放大的基因體由 L1 與 L2 殼體蛋白包裝以產生感染性病毒粒；病毒顆粒可在上皮顆粒層及以上觀察到。
- 病毒組裝一般不認為會使細胞破裂；病毒隨角化層在細胞自上皮表面脫落時被排出。
- E4 蛋白假設會破壞角質細胞的細胞內絲狀網路，可能促進病毒自角質細胞釋出。
宿主免疫反應
- 持續性乳突病毒感染常見，顯示 HPV 已演化出逃避免疫監視的機制：
- 生命週期中無病毒血症期，因此避免了全身性免疫反應。
- 病毒蛋白在表皮基底層與棘層（最可能被 Langerhans 細胞與浸潤淋巴球辨識之處）表達量低。
- 只在較具免疫特權的終末分化層才有大量病毒粒蛋白產生，且感染性病毒專門自外側上皮表面排出。
- 儘管乳突病毒相對成功逃避免疫反應，達 三分之二的皮膚疣在 2 年內自發消退，且多發灶感染的病灶常同時消退。
- 細胞性免疫受抑制的病人疣的盛行率增加；相對地，體液免疫有缺陷的病人似乎並不易發生 HPV 感染，顯示細胞性反應扮演主要角色。
- 雖然下層表皮細胞層只產生少量病毒粒殼體蛋白，超過半數低級別或無症狀生殖器 HPV-16 感染的女性可偵測到針對高風險 HPV-16 構型病毒粒抗原決定位的血清抗體；這些抗體是否在限制自體接種或受感染性伴侶造成的同型再感染上有作用，尚不清楚。
- 潛伏性 HPV 感染 (latent HPV infection) 定義為 HPV DNA 持續存在於臨床與細胞學正常的上皮；然而難以區分真正的病毒潛伏與帶低量 DNA 複製的持續感染。HPV 進入與脫離潛伏的機制不明。
HPV 的致癌潛能
- 不同 HPV 型的致癌潛能差異顯著。
- 絕大多數子宮頸癌含五種 HPV 型之一的序列：16、18、31、33 或 45。
- 相對地，HPV-6 或 -11 感染常見於良性或低級別上皮內病灶，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 EV 相關 SCC 中被偵測到。
- HPV 相關子宮頸病灶進展為侵襲性癌症典型需數十年。
- 現行多階段致癌模型需要持續 HPV 感染以及額外基因突變的累積兩者。
- 病毒基因體隨機整合入宿主 DNA 是常見事件，必然導致 E1 與 E2 表達的喪失。
- 在 HPV-16 與 -18 中，E2 的功能是抑制 E6 與 E7 基因的轉錄；因此整合被認為會增加 E6 與 E7 的表達，而 E6/E7 在癌症中被選擇性保留並高量表達，暗示其在致癌進展中的關鍵角色。
- 致癌與非致癌 HPV 型之間 E6 與 E7 基因活性的差異，主要解釋了進展風險的不同：
- 高風險型（如 16、18）的 E6 與 E7 蛋白降解 p53 與交互作用 RB 的效率高於低風險型（如 6、11）。
- E6 對 p53 的降解移除了受感染細胞中主要的「基因體守護者」（在細胞 DNA 受損時負責細胞週期停滯的蛋白），可導致受感染細胞累積基因突變。
- 因此，致癌進展似由 E6 與 E7 表達增加以及外在致癌物的作用所促進，造成基因體不穩定。
圖 79-3：乳突病毒生命週期。此圖描繪一個有生產力（產生病毒粒）的良性疣。