人乳頭瘤病毒E2 功能研究進(jìn)展

郭清清，李承新，齊家躍，解 方

1 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心皮膚科，北京 100853；2 南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院，天津 300071

人乳頭瘤病毒(human papilloma virus，HPV)是一種古老的無包膜球形雙鏈DNA 病毒，至今已發(fā)現(xiàn)400 余種亞型[1]。HPV 具有嗜上皮特性，可感染人體皮膚黏膜任何部位，引起皮膚黏膜角質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞過度增殖。根據(jù)HPV 與惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性，分為高危型HPV 和低危型HPV。高危型HPV(HPV16、HPV18 等)可能進(jìn)展為皮膚鱗癌、生殖器惡性腫瘤等。低危型HPV(HPV2、HPV6、HPV11 等)可引起尋常疣、尖銳濕疣、扁平疣等[2-3]。HPV 感染流行甚廣，給全球各國帶來沉重的公共衛(wèi)生和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。HPV 基因組有8 000余個堿基對，表現(xiàn)為雙鏈環(huán)狀DNA，分為早期區(qū)、晚期區(qū)和長控制非編碼區(qū)3 個功能區(qū)域。早期區(qū)編碼E1、E2、E4、E5、E6、E7、E8 早期表達(dá)蛋白，與病毒的DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄翻譯和宿主細(xì)胞轉(zhuǎn)化有關(guān)。HPV E2 作為病毒早期表達(dá)蛋白，通過募集宿主細(xì)胞因子調(diào)節(jié)HPV 基因組的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制和宿主細(xì)胞有絲分裂，是HPV 生命周期和病毒持續(xù)感染的關(guān)鍵因素。本文總結(jié)了HPV E2 蛋白的結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能以及與宿主蛋白相互作用的功能和機(jī)制(如翻譯后修飾等)，旨在為進(jìn)一步探究HPV感染機(jī)制和尋找HPV 感染新治療靶點(diǎn)提供參考。

1 HPV E2 蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

HPV E2 作為病毒DNA 復(fù)制起始和維持的關(guān)鍵因子，不僅貫穿病毒生命周期的始終，還可通過與宿主蛋白相互作用調(diào)控宿主細(xì)胞的功能。

(1)HPV 感染的建立與維持：HPV 生命周期的建立與表皮細(xì)胞的增殖分化息息相關(guān)。HPV 通過皮膚黏膜的微小傷口進(jìn)入皮膚基底層細(xì)胞[4]，病毒隨基底層細(xì)胞增殖分化進(jìn)行復(fù)制轉(zhuǎn)錄而導(dǎo)致一系列病變[5]。不同型別的HPV 具有相似的感染周期[1]。HPV 感染根據(jù)病毒DNA 復(fù)制拷貝數(shù)分為早期轉(zhuǎn)錄復(fù)制和晚期轉(zhuǎn)錄復(fù)制[6]。病毒基因組復(fù)制由HPV E1 和E2 蛋白啟動，HPV E2 將DNA 解旋酶E1 招募到HPV 復(fù)制起點(diǎn)，同時將HPV 附加體連接到宿主細(xì)胞染色質(zhì)[7]。HPV E2 還可與宿主蛋白相互結(jié)合抑制晚期轉(zhuǎn)錄復(fù)制以維持HPV 持續(xù)感染[8]。HPV E2 蛋白參與HPV 的整個生命周期，關(guān)注HPV E2 的多樣性功能有望通過調(diào)控HPV 復(fù)制轉(zhuǎn)錄等治療HPV 感染性相關(guān)疾病。

(2)HPV E2 的結(jié)構(gòu)：HPV E2 有3 個不同的結(jié)構(gòu)域，即保守的氨基末端(轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域)、鉸鏈區(qū)和羧基末端(DNA 結(jié)合區(qū))[9-10]。HPV E2 氨基末端由200 余個氨基酸組成反式激活結(jié)構(gòu)域，其對HPV DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄激活、抑制至關(guān)重要。羧基末端由85～ 100 個氨基酸組成，主要作用是識別結(jié)合DNA 和形成穩(wěn)定的二聚體。鉸鏈區(qū)異質(zhì)性較大，對核定位、與宿主染色質(zhì)的結(jié)合以及與多種宿主蛋白和細(xì)胞因子如組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合至關(guān)重要。HPV E2 的三個結(jié)構(gòu)功能域是其成為一個多功能調(diào)節(jié)因子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

(3)HPV E2 的生物學(xué)功能：HPV E2 蛋白對HPV 的復(fù)制轉(zhuǎn)錄和持續(xù)感染至關(guān)重要[11]。首先，HPV E2 蛋白在病毒基因組中募集一系列支持其轉(zhuǎn)錄、復(fù)制所必需的宿主細(xì)胞因子，確保HPV DNA 早期轉(zhuǎn)錄和復(fù)制。其次，HPV E2 負(fù)責(zé)連接到宿主染色質(zhì)以保證隨宿主細(xì)胞分裂到子細(xì)胞中維持HPV 低水平持續(xù)性復(fù)制[1]。當(dāng)宿主細(xì)胞進(jìn)入分化階段時HPV E2 高表達(dá)從而抑制晚期蛋白表達(dá)以維持HPV 基因組高水平復(fù)制，成為病毒生命周期轉(zhuǎn)錄復(fù)制即早期、晚期轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因素[8]。HPV E2 也可通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和mRNA 剪接處理來控制HPV 基因表達(dá)[12]。HPV E2 通過控制其本身表達(dá)水平及與宿主蛋白因子相互作用在HPV 整個生命周期扮演了關(guān)鍵角色，包括早期復(fù)制轉(zhuǎn)錄、周期轉(zhuǎn)換和晚期復(fù)制轉(zhuǎn)錄等。

2 HPV E2 與宿主蛋白相互作用的功能及機(jī)制

2.1 與 HPV E2 相互作用的宿主蛋白及功能2020 年有學(xué)者使用生物信息學(xué)工具分析發(fā)現(xiàn)HPV E2 蛋白可與多種宿主蛋白相互作用[13]。多個研究已經(jīng)證明了HPV E2 對宿主細(xì)胞的調(diào)控功能，包括誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞周期[14]。高危型HPV E2 蛋白某些功能是特有的，如抑制晚期衣殼蛋白基因表達(dá)以逃避宿主免疫監(jiān)視清除，從而使HPV 持續(xù)感染、細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化。多種宿主蛋白可與HPV E2 相互作用，如染色質(zhì)修飾相關(guān)蛋白、蛋白激酶家族蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、RNA 剪接修飾相關(guān)蛋白。染色體結(jié)構(gòu)蛋白家族主要參與染色體的復(fù)制、修復(fù)、結(jié)合。染色體結(jié)構(gòu)蛋白家族可與HPV E2 作用后直接參與HPV 基因組分配機(jī)制并影響維持復(fù)制[15-16]。如DNA 解旋酶ChlR1 是HPV E2 染色質(zhì)結(jié)合以及病毒染色體維持的重要調(diào)控因子。DNA 拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ與HPV E2 也可在有絲分裂染色體中結(jié)合調(diào)控病毒復(fù)制[10,17]。CTCF 是一種重要的染色質(zhì)架構(gòu)蛋白，有研究顯示CTCF與HPV E2 開放閱讀框(ORF)結(jié)合，調(diào)控HPV 的轉(zhuǎn)錄[18]。TopBP1 是DNA 拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ結(jié)合蛋白，在體外實(shí)驗(yàn)中其與HPV E2 結(jié)合后是HPV E2 介導(dǎo)宿主細(xì)胞染色質(zhì)分離的必要條件[17]。

P53 蛋白是抑癌基因編碼蛋白，細(xì)胞生長周期中的負(fù)調(diào)節(jié)因子，與細(xì)胞周期的調(diào)控、DNA 修復(fù)、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡等重要的生物學(xué)功能有關(guān)。HPV E2 可與P53 結(jié)合調(diào)節(jié)HPV 基因功能，該過程嚴(yán)格依賴于宿主細(xì)胞復(fù)制和轉(zhuǎn)錄機(jī)制[19]。

TWIST1 是上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，高水平的TWIST1 可作為惡性腫瘤預(yù)后不良的標(biāo)志。HPV E2 可抑制TWIST1 轉(zhuǎn)錄，這也提示了HPV E2 陽性的惡性腫瘤有更好預(yù)后的原因[20]。

SETD6 是賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，研究發(fā)現(xiàn)其可與BRD4 形成復(fù)合物，使BRD4 發(fā)生甲基化，并增強(qiáng)與HPV E2 結(jié)合后激活HPV 的復(fù)制[21]。

2.2 HPV E2 與宿主蛋白相互作用的機(jī)制 蛋白質(zhì)翻譯后修飾在細(xì)胞代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA 復(fù)制等方面都發(fā)揮重要功能。翻譯后修飾在與HPV E2 相互作用的蛋白中研究得較為充分。高危和低危型HPV E2 都有豐富的翻譯后修飾[22]。

蛋白質(zhì)磷酸化是一種最常見的PTM，是細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的基礎(chǔ)。HPV E2 蛋白已被鑒定出多個磷酸化位點(diǎn)，包含在HPV E2 各個結(jié)構(gòu)域。如宿主酪蛋白激酶2 可磷酸化S298 和S301，以靶向HPV E2 蛋白進(jìn)行降解。有研究證明HPV-16 E2 鉸鏈區(qū)的絲氨酸243 磷酸化位點(diǎn)是HPV E2 與有絲分裂染色體關(guān)聯(lián)的重要亞基[23]。SRPK1/2 為絲氨酸特異性磷酸化蛋白激酶，宿主SRPK1 可以在體外磷酸化HPV E2 蛋白的鉸鏈區(qū)[24]。PYK2 屬于酪氨酸激酶家族，與HPV E2 結(jié)合后發(fā)生磷酸化，干擾HPV 基因組復(fù)制[25]。類似的還包括酪氨酸激酶家族成員成纖維細(xì)胞生長因子受體3 通過E2 蛋白的磷酸化調(diào)控HPV 基因組復(fù)制[26]。

HPV E2 也可以乙?；揎椝拗鞯鞍祝阴；且阴；鶑囊阴］o酶A 轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基，由賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶和乙酰基轉(zhuǎn)移酶催化。蛋白質(zhì)乙?；且环N高度特異性的PTM，它控制許多細(xì)胞過程[27]。賴氨酸在幾乎所有HPV E2 蛋白中高度保守，是P300 乙?；陌悬c(diǎn)，對HPV DNA 復(fù)制至關(guān)重要[28]。Thomas 和Androphy[29]研究發(fā)現(xiàn)由E1 解旋酶的DNA 解鏈也是依賴于E2 中賴氨酸111 處的翻譯后乙?；揎棥RD4 家族是含兩個溴化結(jié)構(gòu)域的宿主蛋白家族，屬于染色質(zhì)修飾及結(jié)構(gòu)維護(hù)相關(guān)蛋白，它可優(yōu)勢結(jié)合乙酰化染色質(zhì)，通過對轉(zhuǎn)錄因子等非組蛋白的乙酰化修飾而廣泛參與細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞分化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程。BRD4 與HPV E2 結(jié)合可調(diào)控轉(zhuǎn)錄、病毒復(fù)制和病毒基因組分離，有利于建立持久性HPV 感染和免疫逃逸[8]。有研究證明BRD4 家族抑制劑可以在體外抑制HPV 病毒復(fù)制且阻斷疣體生長[30]。

HPV E2 亦可泛素化或類泛素化修飾宿主蛋白。泛素化修飾負(fù)責(zé)真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解。它在賴氨酸殘基處將泛素分子添加到蛋白質(zhì)底物中，使用三酶(E1 泛素活化酶、E2 泛素偶聯(lián)酶、E3 泛素蛋白連接酶) 過程來靶向蛋白質(zhì)降解。該過程開始于E1 泛素活化酶的激活以及泛素與E2 泛素偶聯(lián)酶的順序結(jié)合和轉(zhuǎn)移之后。E2 酶與E3 泛素蛋白連接酶結(jié)合，與目標(biāo)蛋白結(jié)合，并將泛素轉(zhuǎn)移至目標(biāo)賴氨酸殘基。HPV E2 可以通過DNA 結(jié)合區(qū)與E3 連接酶相互作用后，增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄激活功能。泛素-蛋白酶體途徑通過其轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域泛素化影響HPV E2 蛋白的半衰期以調(diào)控HPV 的復(fù)制轉(zhuǎn)錄。類泛素化修飾是一類結(jié)構(gòu)與泛素相似但功能迥異的修飾形式，它通過與靶蛋白上特定賴氨酸位點(diǎn)結(jié)合后發(fā)揮穩(wěn)定靶蛋白結(jié)構(gòu)的作用。HPV E2 蛋白被類泛素化修飾位點(diǎn)識別后通過與酪氨酸激酶位點(diǎn)、泛素修飾體系內(nèi)底物或酶類結(jié)合抑制HPV E2 蛋白降解，從而穩(wěn)定HPV E2 蛋白表達(dá)水平后參與調(diào)節(jié)HPV 的復(fù)制轉(zhuǎn)錄[31]。

HPV E2 蛋白與多種宿主蛋白翻譯后修飾后發(fā)生活性變化可促進(jìn)或抑制HPV 基因組復(fù)制轉(zhuǎn)錄，也可調(diào)控HPV 感染周期轉(zhuǎn)換，從而影響HPV 感染結(jié)局。此外HPV E2 與宿主蛋白相互作用調(diào)控宿主細(xì)胞信號通路活性。HPV E2 和 p16INK4a 蛋白相互作用后通過MAPK 途徑激活樹突狀細(xì)胞導(dǎo)致宿主CD4+IFN-γ+T 淋巴細(xì)胞和CD8+IFN-γ+T 淋巴細(xì)胞增加從而抑制HPV 感染[32]。HPV E2 還可通過MEK/ERK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及其他機(jī)制調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶表達(dá)。基質(zhì)金屬蛋白酶表達(dá)的增加與多種HPV 誘導(dǎo)的癌癥進(jìn)展和預(yù)后不良有關(guān)[33]。

盡管高危型HPV 病毒和低危型HPV 病毒在發(fā)病機(jī)制和致癌風(fēng)險方面存在較大差異，但均使用基本相似的分子策略來維持其基因組[34]。HPV E2 通過與宿主蛋白相互作用后進(jìn)行包括復(fù)制起始功能的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)錄周期的轉(zhuǎn)換等[35]。

3 結(jié)語

HPV E2 蛋白不僅通過調(diào)控HPV 基因組復(fù)制轉(zhuǎn)錄調(diào)控HPV 感染，還通過翻譯后修飾等方式與宿主蛋白相互作用調(diào)控宿主細(xì)胞功能?？v觀HPV E2 功能相關(guān)研究及進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)多數(shù)主要集中于高危型HPV E2，如HPV16、HPV18 等，而HPV E2在不同亞型間存在一定的異質(zhì)性，如高危型HPV E2 顯示出更強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活性和更大的DNA 結(jié)合親和力，且可與抑癌基因相互作用。利用生信分析、質(zhì)譜分析和體內(nèi)體外試驗(yàn)等技術(shù)方法進(jìn)一步探索HPV E2 的功能，尋找HPV E2 相互作用蛋白及特異性作用靶點(diǎn)進(jìn)而調(diào)控HPV 基因組的復(fù)制轉(zhuǎn)錄和感染結(jié)局，對完善HPV 感染機(jī)制以及HPV早期表達(dá)蛋白功能圖譜具有重要意義。

作者貢獻(xiàn)郭清清：總體構(gòu)思，調(diào)查研究，可視化處理，撰寫初稿，審讀和修訂；齊家躍：調(diào)查研究；解方、李承新：總體構(gòu)思，資金獲取，項(xiàng)目管理，監(jiān)督指導(dǎo)，審讀和修訂。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突。