整合素与人乳头瘤病毒感染

柯吴坚综述,车雅敏审校

(天津医科大学总医院皮肤性病科,天津300052)

整合素(integrin)是由不同α和β亚基组成的异二聚体跨膜糖蛋白,属于细胞表面黏附分子,主要由胞外区(extracellular domain)、跨膜区(transmembrane domain)和胞内区(intracellular domain)3部分组成。整合素通过双向信号传导通路介导细胞与细胞间及细胞与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)间的黏附。人乳头瘤病毒(human papillomavirus,HPV)是一种具有高度宿主和组织特异性的DNA病毒,能引起人体皮肤和黏膜的上皮细胞增殖,它通过细胞表面特殊受体感染宿主。整合素在HPV黏附中发挥重要作用,被认为是HPV感染的主要受体。通过对整合素与HPV感染间相互作用的研究,将有利于阐明 HPV感染途径及致病机理,为临床防治HPV感染和复发提供新的解决办法。

1 整合素概述

整合素是一类分布广泛的细胞表面跨膜糖蛋白,是细胞黏附分子家族中重要的成员之一。主要介导细胞-细胞、细胞-ECM之间的相互识别、黏附及胞内外的信号传导,影响细胞基因表达和各种生物学行为,对细胞生长、增殖、分化、凋亡等过程起到重要的调控作用[1-2]。

1.1 整合素的结构 迄今发现的整合素有18种α亚基和8种β亚基,因α亚基与β亚基以不同组合方式进行选择性拼接以及转录后多样性修饰,至少可形成25种以非共价键结合的异二聚体跨膜糖蛋白[3]。整合素通过自身α和β亚基的构象改变而活化,α和β亚基共同决定整合素受体的特异性。α亚基末端氨基酸通过自身折返形成折迭环,并通过二硫键与β亚基结合使其结构稳定。α和β亚基均由一个较长的氨基末端胞外区、一个疏水跨膜区和一个较短的羧基末端胞内区(只有β4亚基有较长的胞内区)组成[4]。(1)氨基末端胞外区:为整合素与配体的特异性结合区域。胞外区可以识别配体分子中的特定序列,如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列(Arg-Gly-Asp,RGD),从而与纤维连接蛋白(fibronectin,FN)、层黏连蛋白(laminin,LN)、胶原(collagen)等 ECM 相结合,在介导细胞与ECM的信号传导中起重要作用[5]。(2)疏水跨膜区:相对保守,但近膜端却有多种变异,可与许多细胞因子及其他可溶性调节因子共同作用而调节整合素的功能。(3)羧基末端胞内区:形态多样,含细胞骨架结合位点,通过与踝蛋白(talin)、纽蛋白(vinculin)、张力蛋白(tensin)或α-辅肌动蛋白(α-actinin)等细胞骨架蛋白连接,而最终连接到肌动蛋白(actin)上,引起细胞形态改变;也可直接或间接与连接蛋白结合,激活胞内酶链系统,介导信号转导。

1.2 整合素的配体 整合素与配体的结合形式多样[6],不同的整合素分子有不同的配体。α亚基与β亚基组合的方式决定整合素与配体结合形式,这种结合同时受到整合素异二聚体整体结构的影响。整合素的配体包括:(1)ECM配体,如FN、LN、玻璃黏连蛋白(vitronectin)、纤维蛋白原(fibrinogen)、凝血酶敏感性蛋白质(thrombin-sensitive protein,TSP)、Ⅰ型胶原蛋白(collagenⅠ)等;(2)细胞间配体,如细胞间黏附分子(intercellular adhesion molecule);(3)血管细胞黏附配体,如血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)等。多数整合素只能识别配体蛋白中相当短的一段特定氨基酸序列,大多为 RGD序列,少数为天冬氨酸-精氨酸-谷氨酸-丙氨酸序列(Asp-Arg-Glu-Ala,DGEA)或酪氨酸-异亮氨酸-甘氨酸-丝氨酸-精氨酸序列(Tyr-Iso-Gly-Ser-Arg,YIGSR)。若对RGD序列中的任何一个氨基酸甲基化或亚甲基化修饰则会减弱整合素与ECM的结合。

1.3 整合素介导的细胞信号传导通路 整合素通过胞外区与ECM、胞内区与细胞骨架、信号转导分子和其他一些蛋白相结合,从而介导细胞内外间双向信号传递[7-8]。目前认为信号传导主要有以下几种途径:(1)整合素连接激酶(integrin linked kinase,ILK)信号传导途径,ILK是一种酪氨酸激酶,广泛分布于人体各种组织和细胞中,可与整合素β1、β3胞内区相连,对整合素起相互调节作用,是整合素通过丝裂原活化蛋白激酶/c-Jun氨基末端激酶(MAPK/JNK)途径传导信号至细胞核内,调节mRNA转录和蛋白表达的一条信号传导途径。(2)钙离子信号传导途径,整合素与配体结合后可引起细胞内自由钙离子浓度升高,如整合素激活磷脂酶C(phospho lipase C,PLC)时,PLC分解磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinosital biphosphate,PIP2)产生肌醇三磷酸(inositol triphosphate,IP3),IP3刺激胞内钙离子库释放[9],自由钙离子浓度调节磷脂酶(phospholipase,PL)和蛋白激酶(protein kinase,PK)等多种酶活性,并能作为第二或第三信使激活MAPK/JNK。若阻断钙离子通道,则可抑制整合素介导的黏附作用。(3)黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)信号传导途径,整合素可刺激FAK发生酪氨酸磷酸化,激活FAK是许多整合素信号传导系统中重要过程。(4)三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate,GTP)结合蛋白家族信号传导途径,整合素能够与这些蛋白相互作用而形成复合物,激活小分子GTP结合蛋白,可对细胞骨架变形、细胞增殖分化等进行调节。(5)环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)信号传导途径,cAMP信号传导途径在α 3β 1整合素与 LN-5中发挥作用。

1.4 整合素的功能 整合素具有两种主要功能:(1)传递细胞内外信息,整合素介导细胞内外信息双向传递过程,它不仅将信息从ECM传递入细胞内部,同时也可将细胞内的信号通过胞内区传递到细胞外配体结合位点。整合素的信息传递过程是整合素与多种黏附分子和信使分子间相互作用的结果。(2)是细胞与ECM连接的桥梁,整合素作为细胞与ECM相互作用的桥梁,是细胞-细胞、细胞-ECM 黏附的重要受体,主要通过结合配体中的RGD序列实现。

2 整合素与HPV感染

病毒感染宿主细胞时,先与被感染细胞表面的某些病毒受体结合,在该受体的介导下,病毒颗粒才能进入细胞内,因此这些受体决定了病毒的宿主特异性和组织特异性。通过大量对整合素与病毒感染关系的研究发现,许多病毒都能利用整合素作为病毒受体或共受体(co-receptor)进入宿主细胞[10]。HPV是特异性感染皮肤和黏膜的双链DNA病毒,在HPV黏附到宿主细胞过程中,整合素发挥重要作用,被认为是HPV感染的主要受体。

2.1 整合素α 6在HPV感染中的作用 整合素α 6亚基是整合素家族中一个重要成员,其基因位于第2号染色体上,cDNA全长3 450个碱基,与β1及β 4亚基通过非共价键结合形成α 6β1和α 6β4异二聚体跨膜糖蛋白,是LN单特异受体,主要依赖于其胞外区发挥作用[11]。整合素α 6是HPV感染的黏附受体[12-14],HPV可通过膜相关的整合素α 6黏附到培养细胞上。表达整合素α 6的角质形成细胞(keratinocyte,KC)很容易被HPV感染;而缺乏整合素α 6的突变型KC则相对地抵抗HPV感染[15]。整合素α 6是LN-5在半桥粒的天然连接部件,它可直接或间接的促使HPV从富含LN-5的ECM转移到周围细胞中[15]。不表达整合素α 6的B细胞系不被HPV病毒样颗粒(virus-like particle,VLP)感染,提示整合素α 6亚基可能是HPV VLP受体的组成部分[16];若B细胞表达整合素α 6,则可增强HPV VLP与B细胞的连接能力[17]。应用整合素α 6的单克隆抗体(GoH3)可影响HPV对细胞的黏附、增殖和迁移作用,从而能减少60%的 HPV-6 VLP黏附到细胞上[18]。Yoon等[12]对整合素α 6表达水平与HPV-16 Ll-VLP结合宫颈癌细胞数量的关系进行研究发现:宫颈癌细胞所结合HPV VLP数量与细胞中整合素α 6的表达水平正相关,因而研究者认为整合素α 6是 HPV-16的一个重要受体。Fothergill和McMillan[17]研究 显示 HPV-6b、-18、-31、-35 的 L1 或 L1/L2-VLP与整合素α 6β4结合,可激活 p13激酶信号传导途径,而该途径可产生更适合HPV感染宿主细胞的内环境。Du等[14]认为整合素α 6β 4是 HPV主要的受体,表达整合素α 6β4的细胞很容易被HPV所黏附,当皮损处整合素α 6β4表达水平的上调时,使感染HPV的细胞更易于被再次感染。但也有研究表明,在所有HPV类型感染中,整合素α 6并不是介导HPV-11、-16、-33 VLP黏附到细胞所必需的专一性受体,不表达整合素α 6的黏附细胞也能够支持 HPV的进入和脱衣壳,从而导致细胞被HPV感染[18-19]。

2.2 整合素β4在HPV感染中的作用 Oldak等[20]研究显示,与HPV感染相关的女性外阴尖锐湿疣,其整合素β4表达水平上调;在HPV感染相关的宫颈上皮内瘤变(cervical intraepithelial neoplasia,CIN)Ⅰ和Ⅱ级时,整合素β4低水平表达,而病情发展到CINⅢ级或侵袭性肿瘤时,整合素β4高水平表达,提示整合素β4表达水平与CIN恶性程度呈正相关性。对病变组织的进一步研究发现,整合素β4的表达与HPV E2的转录存在相关性。HPV E2蛋白是调节病毒复制和转录的一个重要转录因子,它主要功能是抑制HPV高危型的E6、E7致癌基因在黏膜的表达。当E2蛋白表达缺失时,可引起整合素β4异常表达和HPV E6、E7转录上调,是 HPV感染所致疾病朝恶性变发展的一个结果。与HPV感染相关的宫颈癌组织中,HPV E2开放阅读框架(open reading frame,ORF)被打断,导致HPV基因组整合进细胞的基因组中,是HPV致癌的主要机制之一。HPV-8和HPV-18的E2蛋白是整合素β4的重要调节者,在人类KC,HPV-8或HPV-18 E2蛋白的表达导致整合素β4表达的降低,二者呈负相关。E2蛋白对整合素β4的抑制作用,至少部分由于E2蛋白与整合素β4启动子的直接相互作用造成[21]。

2.3 其他整合素在HPV感染中的作用 整合素α 2β1的减少与HPV-16永生化KC的活性减少相关[22],整合素α 2在HPV永生化KC表达的减少可能是普遍存在的,提示可将它作为细胞永生化的生物学标志。整合素α 2的减少过程与诱导HPV-16 E6/E7进入食管KC之间存在时间间隔。对永生化食管KC的HPV-16致癌基因 E6/E7体外研究还显示,整合素β4在这些细胞低水平表达可导致细胞朝恶性化发展。此外,通过用HPV-16 E6基因转染上皮细胞系HaCaT和C33A后发现,与转染了空载体的对照细胞相比,表达E6蛋白的细胞对整合素βl的表达明显增强,并对细胞凋亡产生抵抗,且侵袭胶原基质的能力也增强[23]。

3 结 语

迄今为止,虽然人们对整合素在HPV与宿主细胞相互作用中的角色做了大量研究,但仍然有许多问题尚未解决。对整合素与HPV关系的进一步研究,将可能会对HPV感染以及复发机制的阐明、HPV的预防、抗HPV疫苗及药物的研制等诸多方面产生积极而深远的影响,并有可能为临床上防治HPV感染和复发提供新的思路。

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