病毒與免疫系統的攻防戰──從免疫逃逸角度探索 HPV16 致癌機轉

人類乳突腫瘤病毒（human papillomavirus，HPV）是誘發頭頸部鱗狀細胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）的重要危險因子 [1]，其中以 HPV16 和 HPV18 為常見的致癌病毒類型。過去研究指出 HPV 病毒會經由癱瘓宿主的先天免疫系統來誘發癌症，例如 HPV18 會藉由自身的 E7 蛋白，抑制 STING 的作用以躲避宿主的 IFN-I 免疫反應 [2]。相對地，尚未有研究針對 HPV 16 與宿主 STING / IFN-I 免疫作用之間的行探討。基於以上背景，密西根大學（University of Michigan）的研究團隊試圖從免疫學的角度，探討 HPV16 在 HNSCC 的情境下的免疫逃逸機制 [3]。

【背景知識簡介】

免疫逃逸（immune evasion）是病原體發展出可躲避宿主免疫攻擊的能力。這個名詞除了在流感和 COVID-19 等傳染疾病的防治上常被提及之外，致癌病毒（oncogenic virus）與上皮細胞共演化所誘發的免疫逃逸也是研發抗癌藥物的歷程中需要面對的問題。近期在癌症免疫療法領域經常受到討論的 cGAS-STING pathway （圖一）是人體應對病毒入侵的第一線先天免疫機制，也是人體面對致癌病毒的初期會誘發的免疫反應 [4]。該機轉所產生的第一型干擾素（type I interferon，IFN-I會透調致癌基因（oncogene）與抑癌基因（tumor suppressor gene）的表現、干擾細胞週期進程、促進細胞凋亡和老化等機轉產生抗癌效果 [5]。目前已有研究指出病毒可透過不同機轉抑制 IFN-I 的作用，這些機轉包含藉由調控 p65 和 IRF3 等轉錄因子來抑制 IFN-I 基因轉錄以及經由抑制干擾素基因刺激蛋白（stimulator of interferon genes，STING）複合體來阻止 IFN-I 活化。

圖一、cGAS-STING 訊息傳遞途徑
圖片說明：cGAS 受到病原體 DNA 活化之後會催化 cGAMP 合成並且與內質網上的 STING 蛋白結合。STING 接著會移動至高基氏體並且進一步活化 TBK1、IRF3、NF-κB，最終促使 IFN-I 的生成。
圖片來源：https://doi.org/10.1186/s13045-020-00916-z

【研究內容】

此研究主要分成兩部分：

一、STING 與 HNSCC 之間的關聯

研究團隊利用檢體資料，搭配腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME）內的腫瘤浸潤淋巴細胞（tumor-infiltrating lymphocyte，TIL）亞群種類的量化分析，發現 STING 相關標記基因例如 STING、MX1、CXCL9、CXCL10、ISG15 和 ISG54 皆與 TME 內免疫細胞的浸潤程度呈正相關。團隊另外也透過病人資料庫探討了 STING 表現程度與疾病預後之間的關聯，結果顯示 STING 的高表現與 HNSCC 病人的高存活率呈正相關（圖二）。由此可知 STING 與 HNSCC 病人的免疫反應具相關性，其表現程度也可做為病人預後良好的指標。

圖二、STING 表現與 HNSCC 病人存活率呈正相關
圖片說明：電腦運算（左）和組織微陣列（tissue microarray，TMA，右）的結果均指出，STING 表現量高的 HNSCC 病人存活率較高。
圖片來源：https://doi.org/10.1172/JCI129497

二、HPV16 抑制 STING 的作用機轉

團隊透過 HPV16+ 細胞株探討 HPV16 是否影響細胞內的 IFN-I 訊息傳遞，結果顯示 HPV16 E7 蛋白的表現程度與細胞內 STING 白表量成相反趨勢，而且 HPV16 E7 蛋白不但能顯著抑制 STING 所誘發的免疫活化，也能透過自噬（autophagy）途徑將 STING 蛋白降解。團隊也探討了 HPV16 E7 蛋白的剔除對於 STING / IFN-I 訊息傳遞途徑的影響，發現剔除 HPV16 E7 蛋白能激活 STING / IFN-I 訊息傳遞途徑，提升細胞內 TBK1 的磷酸化和 IFN-β 含量，並且降低 STING 蛋白經自噬作用降解。

基於過去研究指出 NLRX1 蛋白會參與細胞內自噬小體（autophagosome）的合成，而且其表現與 HNSCC 細胞自噬作用的誘發呈正相關，於是團隊想進一步探討 HPV16 E7 蛋白所造成的 STING 自噬是否與 NLRX1 蛋白有關。在建立不表現 NLRX1 蛋白的細胞株和小鼠模型之後，團隊透過實驗證實在缺乏 NLRX1 蛋白的情況下，STING / IFN-I 訊息傳遞途徑會被活，增加腫瘤微環境 CD8+ T 細胞的數量，最終抑制細胞增生和腫瘤生長（圖三）。

圖三、缺乏 NLRX1 蛋白的情況下癌細胞增生和腫瘤生長會受到抑制
圖片說明：將不表現 NLRX1 蛋白的細胞株（左圖 shNLRX1）和小鼠模型（右圖 shNLRX1）與對照組（EV）進行比較，可看出 shNLRX1 組別的細胞增生和腫瘤生長均受到抑制。
圖片來源：https://doi.org/10.1172/JCI129497

作者們從以上實驗結果得出結論： HPV16 的 E7 蛋白會藉由 NLRX1 蛋白誘發 STING 自噬，制 IFN-I 生成，造成免疫逸現象（四）。目前在癌症免疫治療領域已研發出 STING 激活劑作為有潛力的抗癌藥物，但仍有許多面向待克服。此研究針對 STING 的相關分子機制提供了更完整的面貌，也為 HPV16+ HNSCC 的治療引出新的可能性。

圖四、HPV16+ HNSCC 免疫逃逸機轉
圖片說明：HPV16 的 E7 蛋白會藉由 NLRX1 蛋白誘發 STING 自噬，抑制 IFN-I 生成，造成免疫逃逸現象。
圖片來源：https://doi.org/10.1172/JCI129497

參考文獻：

[1] Sabatini, M. E., & Chiocca, S. (2020). Human papillomavirus as a driver of head and neck cancers. British journal of cancer, 122(3), 306–314.
https://doi.org/10.1038/s41416-019-0602-7
[2] Lau, L., Gray, E. E., Brunette, R. L., & Stetson, D. B. (2015). DNA tumor virus oncogenes antagonize the cGAS-STING DNA-sensing pathway. Science (New York, N.Y.), 350(6260), 568–571. https://doi.org/10.1126/science.aab3291
[3] Luo, X., Donnelly, C. R., Gong, W., Heath, B. R., Hao, Y., Donnelly, L. A., Moghbeli, T., Tan, Y. S., Lin, X., Bellile, E., Kansy, B. A., Carey, T. E., Brenner, J. C., Cheng, L., Polverini, P. J., Morgan, M. A., Wen, H., Prince, M. E., Ferris, R. L., Xie, Y., … Lei, Y. L. (2020). HPV16 drives cancer immune escape via NLRX1-mediated degradation of STING. The Journal of clinical investigation, 130(4), 1635–1652. https://doi.org/10.1172/JCI129497
[4] Jiang, M., Chen, P., Wang, L., Li, W., Chen, B., Liu, Y., Wang, H., Zhao, S., Ye, L., He, Y., & Zhou, C. (2020). cGAS-STING, an important pathway in cancer immunotherapy. Journal of hematology & oncology, 13(1), 81. https://doi.org/10.1186/s13045-020-00916-z
[5] Iuliano, M., Mangino, G., Chiantore, M. V., Di Bonito, P., Rosa, P., Affabris, E., & Romeo, G. (2021). Virus-Induced Tumorigenesis and IFN System. Biology, 10(10), 994.
https://doi.org/10.3390/biology10100994