综述：病毒感染的基因毒性后果

　　

病毒感染的基因毒性后果

奥尔加?谢夫奇克 - 罗什琴科，彼得?罗什琴科，叶戈尔?瓦塞茨基，尼古拉伊斯?斯亚克斯泰

病毒性疾病作为不断演变的病原体，持续威胁着人类健康，带来新的风险。这些感染可导致多个器官系统出现并发症，其影响因病毒类型、感染严重程度和个体免疫反应而异。本综述探讨了病毒感染引起的基因毒性应激及其在人类中的病理后果。

病毒感染的许多方面与所涉及病毒的直接作用并无关联。感染相关的并发症可能是永久性的，也可能是可治愈的。病毒感染后并发症的一个关键方面是某些病毒的基因毒性效应。基因毒性是指包括病毒在内的某些物质损伤宿主细胞内遗传物质的能力，这可能会导致细胞功能障碍和癌症的发生。具有基因毒性的病毒，如人类免疫缺陷病毒 1（HIV1）、人乳头瘤病毒（HPV）2、乙型和丙型肝炎病毒 3、爱泼斯坦 - 巴尔病毒（EBV）4 以及卡波西肉瘤相关疱疹病毒（KSHV）5，能够将其遗传物质整合到宿主基因组中，从而引发突变。HPV 在宫颈癌的发生发展中起着重要作用 6，而乙型和丙型肝炎病毒是肝癌的主要病因 7。爱泼斯坦 - 巴尔病毒（EBV）与多种淋巴瘤相关 8。卡波西肉瘤相关疱疹病毒（KSHV）则与卡波西肉瘤有关，卡波西肉瘤是一种发生在血管和淋巴管内膜的癌症 9。

基因毒性的机制涵盖了一系列对 DNA 分子造成直接或间接损伤的过程 10。直接 DNA 损伤可定义为加合物的形成，即与 DNA 形成直接的化学键；DNA 链断裂会破坏基因组的完整性；DNA 烷基化是指烷基添加到 DNA 上，导致异常复制。间接 DNA 损伤可能源于活性氧物质（ROS）的产生，ROS 会氧化 DNA 的含氮碱基，或者源于 DNA 修复机制的抑制，从而增加突变的可能性。DNA 复制过程中的错误可能由嵌入作用引起，即化合物占据 DNA 碱基对之间的空间，导致复制错误。此外，基因毒性物质还会引发染色体异常，包括染色体畸变（缺失、重复、易位、倒位）和非整倍体（染色体数目改变）11。

宿主细胞中 DNA 损伤在病毒生命周期中的作用十分复杂，其影响因病毒类型、复制机制和宿主反应而异。众多病毒进化出了复杂的机制，利用或操控宿主的 DNA 损伤反应（DDR），常常借助这些途径来增强自身复制、逃避免疫防御或建立持续性感染 12。虽然 DNA 损伤可能通过破坏关键的细胞过程来阻碍病毒复制，但它也可以通过激活病毒用于自身复制的途径来促进病毒传播 13。

当发生 DNA 损伤时，细胞会启动一系列修复机制，统称为 DNA 损伤反应（DDR）（图 1）。然而，这种激活对于 DNA 病毒来说是一个潜在的挑战，因为它可能导致细胞周期停滞或细胞凋亡，从而限制病毒复制 14。为了应对这一情况，一些 DNA 病毒制定了干扰关键 DDR 信号蛋白的策略，比如 ATM 和 ATR 激酶，它们对于检测和修复 DNA 断裂至关重要 15,16。

观察发现，像 HIV 这样的逆转录病毒采用特定策略与 DDR 相互作用，这对其复制过程产生了重大影响 17。在 HIV 感染过程中，病毒 DNA 整合到宿主基因组中需要 DNA 修复酶的参与，这可能会触发宿主细胞的 DNA 损伤反应。HIV 有效地利用 DDR 的组成部分，如非同源末端连接（NHEJ）途径，来提高其整合效率，并在宿主基因组中建立长期存在，形成潜伏库，进而导致持续性感染 18。

此外，病毒感染导致的 DNA 损伤会促使宿主细胞进入有利于病毒复制或持续存在的状态。持续性 DNA 损伤可能引发细胞衰老或慢性炎症的激活，从而创造出有利于某些病毒复制的环境。例如，巨细胞病毒（CMV）利用细胞衰老来建立潜伏状态，利用这种改变后的细胞状态逃避免疫检测，并在免疫抑制条件下重新激活 19,20。

在本综述中，来自比亚韦斯托克医科大学药物合成与技术系的研究人员评估了不同病毒如何诱导基因毒性应激、它们与 DNA 修复机制的相互作用，以及这最终如何导致潜在的致癌后果，如突变和 / 或染色体畸变。研究人员排除了像乳头瘤病毒和乙型肝炎病毒等直接致癌的病毒，因为已有关于这些主题的全面综述 21,22。

RNA 病毒

人类免疫缺陷病毒

国际癌症研究机构（IARC）将人类免疫缺陷病毒 1 型（HIV - 1）归类为 “对人类致癌”（第 1 组）的物质，它通过免疫抑制间接增加患癌风险 23。HIV 会逐渐消耗 CD4 + T 细胞，如果不进行治疗，最终会导致严重的免疫缺陷，即获得性免疫缺陷综合征（AIDS）24。尽管联合抗逆转录病毒疗法（cART）可以阻断 HIV 复制并恢复 CD4 + T 细胞计数，但 HIV 感染者中某些类型恶性肿瘤的患病率仍然很高 25。在一项针对北美人群的综合研究中，75 岁时癌症的累积发病率（%）（HIV 阳性 / HIV 阴性）分别为：卡波西肉瘤（KS），4.4/0.01；非霍奇金淋巴瘤（NHL），4.5/0.7；肺癌，3.4/2.8；肛门癌，1.5/0.1；结直肠癌，1.0/1.5；肝癌，1.1/0.4；霍奇金淋巴瘤（HL），0.9/0.1；黑色素瘤，0.5/0.6；口腔 / 咽喉癌，0.8/0.826。

在此，研究人员将重点关注 HIV - 1 对 DNA 完整性和 DNA 修复效率的可能直接影响。

对 HIV 感染者的研究

HIV 感染会在受感染细胞和未受感染细胞中引发氧化应激和氧化性 DNA 损伤。与 HIV 阴性者相比，HIV 感染者的 CD4 + T 细胞中 7,8 - 二氢 - 8 - 氧代鸟嘌呤（一种氧化 DNA 的代谢产物）水平显著升高，在艾滋病患者中该水平尤其高 27。HIV 感染者的单核细胞自发产生的比健康对照组更高，并且与病毒载量相关 28。接受 cART 治疗的 HIV 感染者的 B 细胞中活性氧物质水平更高，DNA 损伤程度也更高 29。与未感染 HIV 的对照组相比，患有或未患有 HIV 相关神经认知障碍的 HIV 阳性个体的额叶皮质尸检组织中 8 - 羟基脱氧鸟苷水平升高 30。此外，HIV 感染者外周血单个核细胞中的线粒体 DNA 8 - 羟基脱氧鸟苷水平与通过脑部磁共振成像观察到的 HIV 相关脑部结构变化相关：侧脑室扩大以及海马体、苍白球和总皮质下灰质体积减小 31。HIV 感染者的血清 / 血浆中氧化应激标志物（如脂质过氧化或丙二醛加合物）水平较高，而血浆中抗氧化剂（包括谷胱甘肽）水平较低 32 - 34。HIV 感染者外周血单个核细胞中微核（基因组不稳定性的标志物）的频率也有所增加 35。综上所述，这些发现表明 HIV - 1 在不同细胞类型中积极刺激氧化应激反应和 DNA 损伤。

HIV - 1 蛋白的基因毒性

尽管 cART 成功控制了 HIV 感染，但 HIV 感染者中某些疾病仍持续存在，这至少部分归因于持续的病毒蛋白合成（图 2）。虽然 cART 成功抑制了病毒复制，但潜伏感染 HIV 的细胞并未被清除，即使在长期有效的 cART 治疗后仍然存在，这使得治愈 HIV 感染变得困难 36。此外，虽然 cART 阻断了 HIV - 1 生命周期的许多阶段，但它对病毒基因的转录或翻译影响较小。HIV 的长末端重复序列（LTR）启动子从未完全沉默 37,38，即使受感染细胞中存在缺陷的前病毒 DNA 也能产生病毒蛋白 39,40，这些蛋白可能会对 HIV 相关疾病产生影响。

其中一种具有潜在致病性的蛋白是 HIV - 1 Tat（转录反式激活因子），它在病毒转录和发病机制中起着关键作用。HIV - 1 Tat 与新生的病毒 RNA 元件（TAR，反式激活反应元件）结合，并将激活的转录因子招募到病毒启动子上，从而增加病毒转录延伸 41,42。Tat 能有效地从 HIV 感染细胞中释放出来 43,44，并可以通过内吞作用穿透未感染细胞 45。Tat 也可以在细胞外通过外泌体释放 46。由于这种特性，Tat 被认为在多种 HIV 相关疾病中发挥作用，如 HIV 相关神经认知障碍、物质使用障碍、心血管并发症、加速衰老、B 细胞淋巴瘤等 47 - 56。Tat 在 HIV 感染者的血液 50,57 - 60 和脑脊液 61 中循环。Tat 的致癌特性在多种癌症中都有报道 62 - 65。

Tat 在 T 细胞 66,67、B 细胞 29、脑内皮细胞 68 - 70、神经元 71 - 73、小胶质细胞 74,75 和星形胶质细胞 76 中引发氧化应激。此外，Tat 蛋白调节参与 DDR 和 DNA 修复的多个基因的表达。在 T 细胞中，HIV - 1 Tat 下调 TP53 的表达 77。表达 Tat 的人横纹肌肉瘤细胞由于 DNA 依赖性蛋白激酶催化亚基（DNA - PKcs，一种参与 DNA 修复的非同源末端连接（NHEJ）途径的酶）表达降低，对辐射更加敏感 18。在大鼠嗜铬细胞瘤细胞中，Tat 下调 Ku70（NHEJ 的另一个关键成分）的表达，并上调 Rad51（同源重组（HR）DNA 修复中的核心酶）的表达。这导致线性化 DNA 重新连接的能力下降，但增强了 HR 介导的 DNA 双链断裂修复能力 78。细胞蛋白 Tip60（Tat 相互作用蛋白）最初被鉴定为 HIV - 1 Tat 的相互作用蛋白，由于其参与多种细胞过程，包括染色质重塑、DNA 损伤反应和修复、细胞周期停滞和细胞凋亡，已成为研究的焦点 79。Tat 抑制 Tip60 的组蛋白乙酰转移酶活性 80，并诱导其多聚泛素化和降解 81。这些作用可能会损害 Tip60 介导的细胞 DNA 损伤信号传导和修复。

考虑到 HIV 感染者中 B 细胞淋巴瘤的发病率增加，Tat 蛋白对 B 细胞的影响值得特别关注 82。虽然 HIV - 1 不能直接感染 B 细胞，但其 Tat 蛋白进入这些细胞并干扰 DNA 修复机制的能力被认为有助于淋巴瘤的发生。在 HIV - 1 相关的 B 细胞淋巴瘤（包括伯基特淋巴瘤和弥漫性大 B 细胞淋巴瘤）中检测到了 Tat 蛋白的存在 83 - 85。在体外，B 细胞暴露于 Tat 会导致染色体畸变的出现，其机制包括氧化应激、谷胱甘肽水平降低和 DNA 损伤 29,86。然而，可能还涉及其他机制。

HIV - 1 Tat 上调 B 细胞中易错 DNA 聚合酶 β 的表达，这是一种已知的诱变酶，在艾滋病相关的 B 细胞淋巴瘤谱系中也会上调 87。HIV - 1 Tat 蛋白诱导 B 细胞中编码核酸酶的 RAG1 基因转录，导致 DNA 双链断裂的形成，包括 MYC 基因位点的双链断裂 50。双链断裂的增加促进了 MYC 基因位点与 IGH 基因位点的共定位，最终导致与伯基特淋巴瘤相关的特征性 t (8;14) 染色体易位 50。基因座共定位是它们之间发生染色体易位的重要前提 88 - 90。HIV 感染者循环 B 细胞中 MYC 和 IGH 的共定位增加 50。Tat 还通过激活 Akt/mTORC1 途径并抑制 AICDA 转录抑制因子 c - Myb 和 E2F8 来激活 AICDA 基因的表达；AICDA 基因编码激活诱导的胞苷脱氨酶（AID），在生理条件下，AID 为 B 细胞中的免疫球蛋白类别转换重组和免疫球蛋白基因成熟产生双链断裂。AID 的过表达会导致 IGH 和可能的 MYC 基因位点内双链断裂增加，有利于 t (8;14) 易位的形成 91,92。因此，Tat 蛋白通过诱导基因组不稳定性，可能是 HIV 阳性个体中 B 细胞淋巴瘤发生的一个重要因素。

HIV - 1 辅助蛋白 Vpr 是另一种具有潜在致病性和基因毒性的蛋白，它可以主动或被动进入细胞外区域，并与未感染的旁观者细胞相互作用 93,94。在 HIV 阳性个体的血清和脑脊液中都检测到了细胞外的 Vpr95,96。与 HIV - 1 Tat 类似，Vpr 可以诱导氧化应激并降低谷胱甘肽水平 97 - 99。在感染细胞中，Vpr 与宿主 DNA 损伤反应机制存在复杂的相互作用，既有激活作用，也有抑制作用 100,101。Vpr 直接诱导 DNA 损伤，导致双链断裂和单链断裂的形成 100,102。Vpr 还诱导双链 DNA 解旋，导致负超螺旋 DNA 的积累，并招募拓扑异构酶 1，最终导致 DNA 双链断裂 103。这些 DNA 损伤会触发修复因子（如 γH2AX、RPA32 和 53BP1）的募集，从而启动 DNA 损伤反应信号级联 100。Vpr 触发 DNA 损伤反应蛋白（Rad17、Hus1、ATR、RPA70）的表达上调、激活和募集 103,104。DNA 损伤和随之而来的 DNA 损伤反应激活是细胞周期在 G2 期停滞的常见诱导因素，并且已证明 Vpr 能有效地触发 G2 期细胞周期停滞 105 - 110。然而，Vpr 也具有抑制 DDR 的特性，拮抗关键的双链断裂修复机制，如 HR 和 NHEJ100。Vpr 靶向并触发一系列宿主 DNA 损伤反应蛋白的蛋白酶体降解，包括 UNG2、SMUG、HLTF、MUS81 和 EME1（SLX4 复合物的组成部分）、EXO1、TET2、MCM10 和 SAMHD1111 - 119。这表明 Vpr 与 DNA 损伤反应相关的功能在受感染细胞的病毒生命周期中可能是分区化的。Vpr 对 DNA 损伤反应调节的这种双重性质表明它在促进基因组不稳定性和促进病毒整合到宿主基因组中可能发挥作用。细胞外的 Vpr 在转导靶细胞时也具有引发 DNA 损伤反应的能力 120。

HIV - 1 Nef（负调节因子）是另一种具有潜在致病性的病毒蛋白，它从感染细胞的微泡（外泌体）中释放出来，即使在接受病毒抑制治疗的 HIV 感染者血浆中也会循环 121 - 124。Nef 通过与宿主细胞的信号转导蛋白相互作用，延长感染 T 细胞的存活时间。它可以促进细胞表面受体（如 CD4 和 MHC 蛋白）的内吞和破坏，以及未感染 T 细胞的死亡。这降低了细胞毒性 T 细胞帮助病毒逃避宿主防御的能力。HIV Nef 基因对于体内有效的病毒传播和疾病进展是必需的，但在体外 HIV 复制中并非必需。在体外，已证明 Nef 会导致单核细胞来源的树突状细胞过度表达 B 淋巴细胞刺激因子 BLyS，并通过肌动蛋白驱动的管道从感染的巨噬细胞转移到 B 细胞 123,125。HIV - 1 Nef 在小胶质细胞、内皮细胞和中性粒细胞中表现出促氧化活性 126 - 129。Nef 促进 p53 的蛋白酶体降解 130。与 Tat 类似，Nef 上调 AICDA 的表达并促进 B 细胞中的 DNA 双链断裂，导致基因组不稳定 131。Nef 也是 HIV 阳性个体患肺癌的主要原因，HIV 阳性个体的肺癌平均比未感染个体早十年发生。研究表明，当存在 Nef 时，肺细胞会表达更多的关键促血管生成蛋白血管内皮生长因子 A（VEGF - A），并且更具增殖性和侵袭性 132。已证明 Nef 与人类疱疹病毒 8 蛋白 K1 在卡波西肉瘤中协同作用，通过 miRNA - 718 介导的磷酸酶和张力蛋白同源物 / 蛋白激酶 B / 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（PTEN/AKT/mTOR）途径刺激血管生成和细胞增殖 133。

HIV - 1 包膜糖蛋白 120（gp120）在 HIV 感染者的血清、次级淋巴器官和大脑中均可检测到 134 - 137。gp120 与艾滋病相关的神经毒性有关，并且部分负责 HIV - 1 与靶细胞的结合。gp120 在星形胶质细胞、脑组织和内皮细胞中诱导氧化应激 68,138,139。进一步的证据表明，gp120 的神经毒性大多是间接的，因为直接神经元损伤需要极高的蛋白质浓度，远远高于体内实际存在的蛋白量。此外，在 HIV 相关痴呆（HAD）中，凋亡神经元与感染的小胶质细胞不能共定位，这表明存在多细胞病因 140。巨噬细胞和星形胶质细胞的激活会导致促炎细胞因子、趋化因子和内皮粘附分子的增加。激活的小胶质细胞还会释放谷氨酸以及其他兴奋性氨基酸 141。当谷氨酸受体过度刺激时，神经元和星形胶质细胞中会有过量的钙内流和自由基（包括一氧化氮（NO））产生 142。先前使用暴露于 gp120 的原代混合中枢神经系统培养物的研究揭示了神经元树突修剪、静脉曲张、空泡化和碎片化 143。这些神经元损伤伴随着星形胶质细胞的增大和增生，这与 HAD 的神经病理学发现一致 144。暴露于 gp120 后诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的重要性部分源于研究表明 iNOS 抑制剂可以减轻 gp120 的许多负面影响。多项研究表明，HIV - 1 患者血清中皮质醇水平升高与疾病的临床进展相关 145。研究表明，gp120 分泌的促肾上腺皮质激素释放因子（CRF）可以刺激下丘脑 - 垂体 - 肾上腺轴。然而，当存在非选择性 NOS 抑制剂 L - NAME 时，暴露于 gp120 不再