《自然》子刊：沙眼衣原體與HPV可誘發(fā)獨特致癌程序，共同導(dǎo)致宮頸癌發(fā)生

轉(zhuǎn)載于：奇點網(wǎng)2022-03-23

《自然》子刊：沙眼衣原體或加速HPV致癌！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，沙眼衣原體與HPV可誘發(fā)獨特致癌程序，共同導(dǎo)致宮頸癌發(fā)生丨文章查閱下載

人乳頭瘤病毒（HPV）能引發(fā)宮頸癌，其與人類已共存近百萬年[1]，是女性生殖道的“常客”。世界上80%的女性在一生中會與HPV相遇，但只有2%的攜帶者最終發(fā)展成宮頸癌[2]。這暗示著HPV致癌是需要一定條件。

研究發(fā)現(xiàn)[3, 4]，越來越多宮頸癌患者中同時出現(xiàn)HPV和一種致病菌——沙眼衣原體，性傳播感染中排名前四的病菌[5]。病毒和細(xì)菌“合謀”加快疾病發(fā)生和發(fā)展已不少見[6]，HPV和沙眼衣原體是否會加速宮頸癌發(fā)展呢？

圖1：HPV 16 電鏡圖（左）和衣原體包涵體熒光染色圖（右）。左圖來源Guan et al，Structure， 2017）；右圖來源Chlamydia Research Group，University of Nebraska

我們知道，HPV可將致癌基因HPV E6E7整合到宿主細(xì)胞，并且在90%的宮頸癌患者中能發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象[7]。E6和E7基因是癌變過程的啟動因素，高危型HPV的E6和E7蛋白在宮頸癌組織內(nèi)的持續(xù)表達(dá)，是致癌的關(guān)鍵分子[8]?？墒?，沙眼衣原體是如何作用仍是未解之謎。

近期，由德國維爾茨堡大學(xué)Cindrilla Chumduri領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，通過體外模擬生命功能的類器官，發(fā)現(xiàn)HPV和沙眼衣原體共感染的致癌分子機制：HPV E6E7和沙眼衣原體共感染能引發(fā)宿主細(xì)胞獨特的重編程，二者從相反的方向影響細(xì)胞和基因組穩(wěn)定性，從而促進(jìn)腫瘤的形成[9]。該研究發(fā)表在《自然·通訊》上。 相關(guān)文章查閱下載

類器官也叫做人工3D組織模型，是利用干細(xì)胞直接誘導(dǎo)成與來源組織或器官高度相似的三維組織模型，能近似表征細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與周圍環(huán)境之間的空間關(guān)系和互作。2017年，類器官被《自然-方法》評為2017年生命科學(xué)領(lǐng)域的年度技術(shù)[10]。

圖2：外宮頸類器官構(gòu)建流程圖

工欲善其事，必先利其器。

研究者們首先升級改造已有的類器官模型。宮頸可分為兩部分：外宮頸（與陰道連通的復(fù)層鱗狀上皮）和內(nèi)宮頸（與子宮連通的柱狀上皮）。以往研究已成功從人體外宮頸干細(xì)胞中培養(yǎng)出類器官（記為hCEcto）[11, 12]。在此基礎(chǔ)上，研究者通過病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)，將HPV E6E7基因整合到外宮頸干細(xì)胞，構(gòu)建出能模擬HPV感染特性的類器官（記為hCEcto E6E7）。

圖3：實驗驗證HPV16 E6E7基因成功導(dǎo)入并在類器官中轉(zhuǎn)錄。左圖：HPV16 E6E7基因成功轉(zhuǎn)導(dǎo)到供體細(xì)胞基因組；右圖：HPV16 E6E7基因在供體細(xì)胞內(nèi)成功轉(zhuǎn)錄

經(jīng)實驗驗證，遺傳改造后的類器官產(chǎn)生了與宮頸上皮內(nèi)瘤變（CIN）相似的表型。與未經(jīng)改造模型相比，轉(zhuǎn)導(dǎo)了HPV E6E7基因的模型具有更大直徑，更強的成形能力，即更類似CIN的特征。并且，改造后的類器官能有效表達(dá)HPV E6E7基因。這說明，遺傳改造后的類器官能模擬宮頸HPV感染，為研究HPV的作用機制開辟新途徑。

外宮頸類器官是否能模擬沙眼衣原體的共感染？

沙眼衣原體具有雙相生命周期：在細(xì)胞外是孢子樣具高度傳染性的細(xì)胞，稱為原體（EB）；進(jìn)入細(xì)胞后，轉(zhuǎn)化為無侵染性、可復(fù)制的細(xì)胞，稱為始體（RB）。當(dāng)用沙眼衣原體去感染類器官，在有無HPV E6E7基因的模型中均能看到這兩種形態(tài)的沙眼衣原體，并且能檢測到沙眼衣原體在不斷增殖。

在高清透射電子顯微鏡下，還可以觀測到沙眼衣原體的另外兩種形態(tài)（圖4）：中間體（IB）和異常體（AB）。通過計數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，沙眼衣原體的這幾種形態(tài)在有無HPV E6E7基因的模型中有明顯差異：具有感染力的原體在HPV E6E7模型中顯著減少，并且始體和異常體顯著增加。這表明，HPV E6E7基因增加了異常體的形成，同時抑制了始體到原體的再分化，減緩沙眼衣原體的生命周期發(fā)展速度，使各個狀態(tài)能更持久地存在。

圖4：沙眼衣原體感染外宮頸干細(xì)胞（2D組織）。左圖是未整合HPV E6E7基因的干細(xì)胞；右圖是整合了HPV E6E7基因的干細(xì)胞。RB：reticulate bodies；EB：elementary bodies；IB：intermediate stage；AB：aberrant bodies

有了類器官，接下來就是放開手腳挖掘背后的分子機理。研究者對不同條件下的細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)HPV E6E7和沙眼衣原體能以不同的方式上調(diào)或下調(diào)宿主基因轉(zhuǎn)錄水平，引起細(xì)胞產(chǎn)生與CIN類似的轉(zhuǎn)錄譜。這些基因涉及細(xì)胞免疫應(yīng)答，例如，兩者都能獨立上調(diào)腫瘤壞死因子（TNF）調(diào)控的免疫應(yīng)答。

令人驚訝的是，沙眼衣原體的共感染能抑制HPV E6E7引起的宿主基因轉(zhuǎn)錄水平變化。在被HPV E6E7影響的3456個基因轉(zhuǎn)錄本中，28%的基因轉(zhuǎn)錄本表達(dá)量的改變能被沙眼衣原體抑制。這其中包含控制基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子（TF），最為突出的是E2F轉(zhuǎn)錄因子家族：HPV E6E7顯著上調(diào)E2F的表達(dá)水平，但沙眼衣原體感染后抑制E2F轉(zhuǎn)錄。

基因調(diào)控通路研究發(fā)現(xiàn)，沙眼衣原體感染會抑制E2F1轉(zhuǎn)錄，其調(diào)控的目標(biāo)基因涉及堿基錯配修復(fù)（MMR）。沙眼衣原體不僅可以在轉(zhuǎn)錄階段和翻譯后抑制MMR，并且能抑制HPV E6E7引起的MMR水平上調(diào)。

進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，沙眼衣原體感染會下調(diào)腫瘤抑制因子p53（TP53）基因的轉(zhuǎn)錄和p53蛋白的表達(dá)。

綜上，在宿主細(xì)胞加速增生的背景下，沙眼衣原體引發(fā)DNA損傷，以及對堿基錯配修復(fù)通路的抑制，提升了宿主基因組突變活力。

與宮頸高度相似的類器官模型。Credit: Team Chumduri

雖然研究沒有模擬游離狀態(tài)的HPV，該研究揭示了HPV E6E7和沙眼衣原體共感染對細(xì)胞和基因組穩(wěn)定性都有不良影響，促進(jìn)癌變的發(fā)展。沙眼衣原體這個致癌“幫兇”從猜測到被證實。

研究開發(fā)出來的類器官模型潛力巨大，為今后的機理研究開辟新路徑。實驗室常見動物小鼠、兔子和豬通常是多胎生殖，難以模擬單胎為主的人類生殖系統(tǒng)；靈長類動物模型又相對昂貴。

未來，這套系統(tǒng)借助單細(xì)胞和空間組學(xué)技術(shù)，可以更高清晰度解析細(xì)胞之間的互作，為研究組織組織癌變提供新的研究機遇[13, 14]。

參考資料： 1. Chen, Z., et al., Niche adaptation and viral transmission of human papillomaviruses from archaic hominins to modern humans. PLOS Pathogens, 2018. 14(11): p. e1007352.

2. Burchell, A.N., et al., Chapter 6: Epidemiology and transmission dynamics of genital HPV infection. Vaccine, 2006. 24 Suppl 3: p. S3/52-61.

3. Koskela, P., et al., Chlamydia trachomatis infection as a risk factor for invasive cervical cancer. Int J Cancer, 2000. 85(1): p. 35-9.

4. Ssedyabane, F., et al., HPV-Chlamydial Coinfection, Prevalence, and Association with Cervical Intraepithelial Lesions: A Pilot Study at Mbarara Regional Referral Hospital. Journal of cancer epidemiology, 2019. 2019: p. 9092565-9092565.

5. Solomon, A.W. and D.C.W. Mabey, Chlamydia (Trachoma and Sexually Transmitted Infections), in International Encyclopedia of Public Health, H.K. Heggenhougen, Editor. 2008, Academic Press: Oxford. p. 672-683.

6. Griffiths, E.C., et al., The nature and consequences of coinfection in humans. The Journal of infection, 2011. 63(3): p. 200-206.

7. Pett, M. and N. Coleman, Integration of high-risk human papillomavirus: a key event in cervical carcinogenesis? J Pathol, 2007. 212(4): p. 356-67.

8. Tomai?, V., Functional Roles of E6 and E7 Oncoproteins in HPV-Induced Malignancies at Diverse Anatomical Sites. Cancers, 2016. 8(10): p. 95.

9. Koster, S., et al., Modelling Chlamydia and HPV co-infection in patient-derived ectocervix organoids reveals distinct cellular reprogramming. Nature Communications, 2022. 13(1): p. 1030.

10. Method of the Year 2017: Organoids. Nature Methods, 2018. 15(1): p. 1-1.

11. Chumduri, C., et al., Opposing Wnt signals regulate cervical squamocolumnar homeostasis and emergence of metaplasia. Nat Cell Biol, 2021. 23(2): p. 184-197.

12. L?hmussaar, K., et al., Patient-derived organoids model cervical tissue dynamics and viral oncogenesis in cervical cancer. Cell Stem Cell, 2021. 28(8): p. 1380-1396.e6.

13. Guo, Q., et al., Single-cell transcriptomic landscape identifies the expansion of peripheral blood monocytes as an indicator of HIV-1-TB co-infection. Cell Insight, 2022. 1(1): p. 100005.

14. Marx, V., Method of the Year: spatially resolved transcriptomics. Nature Methods, 2021. 18(1): p. 9-14.