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          《自然》子刊:沙眼衣原體與HPV可誘發獨特致癌程序,共同導致宮頸癌發生

          轉載于:奇點網2022-03-23

          《自然》子刊:沙眼衣原體或加速HPV致癌!科學家發現,沙眼衣原體與HPV可誘發獨特致癌程序,共同導致宮頸癌發生丨文章查閱下載

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

          研究發現[3, 4],越來越多宮頸癌患者中同時出現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]。病毒和細菌“合謀”加快疾病發生和發展已不少見[6],HPV和沙眼衣原體是否會加速宮頸癌發展呢?

          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整合到宿主細胞,并且在90%的宮頸癌患者中能發現這一現象[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的持續表達,是致癌的關鍵分子[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Cindrilla Chumduri領導的研究團隊,通過體外模擬生命功能的類器官,發現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宿主細胞獨特的重編程,二者從相反的方向影響細胞和基因組穩定性,從而促進腫瘤的形成[9]。該研究發表在《自然·通訊》上。 相關文章查閱下載


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

          圖2:外宮頸類器官構建流程圖


          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(與陰道連通的復層鱗狀上皮)和內宮頸(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胞中培養出類器官(記為hCEcto)[11, 12]。在此基礎上,研究者通過病毒轉導,將HPV E6E7基因整合到外宮頸干細胞,構建出能模擬HPV感染特性的類器官(記為hCEcto E6E7)。

          圖3:實驗驗證HPV16 E6E7基因成功導入并在類器官中轉錄。左圖:HPV16 E6E7基因成功轉導到供體細胞基因組;右圖:HPV16 E6E7基因在供體細胞內成功轉錄


          經實驗驗證,遺傳改造后的類器官產生了與宮頸上皮內瘤變(CIN)相似的表型。與未經改造模型相比,轉導了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:在細胞外是孢子樣具高度傳染性的細胞,稱為原體(EB);進入細胞后,轉化為無侵染性、可復制的細胞,稱為始體(RB)。當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(圖4):中間體(IB)和異常體(AB)。通過計數統計發現,沙眼衣原體的這幾種形態在有無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展速度,使各個狀態能更持久地存在。

          圖4:沙眼衣原體感染外宮頸干細胞(2D組織)。左圖是未整合HPV E6E7基因的干細胞;右圖是整合了HPV E6E7基因的干細胞。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胞進行轉錄組分析,發現HPV E6E7和沙眼衣原體能以不同的方式上調或下調宿主基因轉錄水平,引起細胞產生與CIN類似的轉錄譜。這些基因涉及細胞免疫應答,例如,兩者都能獨立上調腫瘤壞死因子(TNF)調控的免疫應答。


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


          基因調控通路研究發現,沙眼衣原體感染會抑制E2F1轉錄,其調控的目標基因涉及堿基錯配修復(MMR)。沙眼衣原體不僅可以在轉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。


          進一步研究還發現,沙眼衣原體感染會下調腫瘤抑制因子p53(TP53)基因的轉錄和p53蛋白的表達。


          綜上,在宿主細胞加速增生的背景下,沙眼衣原體引發DNA損傷,以及對堿基錯配修復通路的抑制,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的HPV,該研究揭示了HPV E6E7和沙眼衣原體共感染對細胞和基因組穩定性都有不良影響,促進癌變的發展。沙眼衣原體這個致癌“幫兇”從猜測到被證實。


          研究開發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;靈長類動物模型又相對昂貴。


          未來,這套系統借助單細胞和空間組學技術,可以更高清晰度解析細胞之間的互作,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.

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