幽門螺桿菌多態(tài)性與胃癌發(fā)生的風(fēng)險的相關(guān)性研究

孔玲玲, 董全江, 田字彬

青島大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，山東 青島 266003

幽門螺桿菌多態(tài)性與胃癌發(fā)生的風(fēng)險的相關(guān)性研究

孔玲玲, 董全江, 田字彬

青島大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，山東 青島 266003

幽門螺桿菌(Helicobacter pylori,H.pylori)與胃癌的發(fā)生密切相關(guān)。不同菌株甚至同一菌株的不同株系之間存在遺傳多樣性，在基因的表型特征上有明顯的分化，這些分化與基因組遺傳信息的差異有關(guān)。基因組縮減可使細(xì)菌消耗更低的能量，需要較少的營養(yǎng)成分，這使東亞地區(qū)的H.pylori在增殖和生長方面優(yōu)于其他地區(qū)。本文總結(jié)了H.pylori基因組的基本特征，分析了H.pylori基因組遺傳多樣性，探討了基因組遺傳多樣性與胃癌的關(guān)系，有利于深入理解H.pylori的致病機理，為臨床預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。

幽門螺桿菌;多態(tài)性;胃癌

幽門螺桿菌(Helicobacter pylori,H.pylori)是人類胃黏膜定居的主要微需氧病原菌，屬于革蘭氏陰性桿菌。據(jù)統(tǒng)計表明，感染H.pylori后患胃癌的風(fēng)險性是非感染者的10倍[1]，國際癌癥研究協(xié)會將H.pylori列為I類致癌菌[2]。H.pylori感染可引起黏膜慢性炎癥、潰瘍、胃癌及黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤等疾病。H.pylori分為7個亞群，分別為HpAfrica1、HpAfrica2、HpEastAsia、HpEurope、HpNEAfrica、HpAsia2、HpSahul。有些亞群進(jìn)一步分出亞組，例如，HpEastAsia分為3個亞組，包括hspEasia、hspAmerind和hspMaori。2005年，美國科學(xué)家首次將泛基因組(pan-genome)的概念引入細(xì)菌的研究中，指出細(xì)菌的遺傳多樣性不僅存在于不同菌株中，而且在同一菌株中的不同株系也存在明顯差別。世界約一半人口感染H.pylori，不同地域中與H.pylori相關(guān)的胃癌發(fā)病率明顯低于H.pylori感染率，這引起了眾多學(xué)者對H.pylori基因組遺傳多樣性與胃癌關(guān)系的廣泛關(guān)注。本文分析了H.pylori基因組遺傳多樣性，探討了H.pylori遺傳多樣性與胃癌的關(guān)系，有利于深入理解H.pylori的致病機理，為臨床預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。

1 H.pylori基因組的基本特征

1997年，H.pylori菌株26695首次完成測序[3]，26695的染色體為環(huán)狀，基因組序列大小約1 667 867 bp，GC含量約占39%，有1 590個編碼蛋白的開放閱讀框(open reading frame, ORF)，2拷貝的16SrRNA和23SrRNA、36種tRNA。菌株中廣泛存在一個綜合性的分泌系統(tǒng)，分泌外膜蛋白，并將蛋白輸送至細(xì)胞外。

1999年，J99完成測序[4]。與26695相比，J99有較小的環(huán)狀染色體結(jié)構(gòu)，大小約1 643 831 bp，但在基因組結(jié)構(gòu)、基因序列和預(yù)測蛋白方面，與26695菌株非常相似。在J99中，預(yù)測的ORF較少，大約1 495個。有1 406個基因共同存在于兩種菌株中，但有86個ORF在26695中是不存在的。26695和J99菌株中均存在cag致病島 (cag pathogenicity island，cag PAI)，其編碼Ⅳ型分泌系統(tǒng)，將CagA轉(zhuǎn)運至胃黏膜上皮細(xì)胞，發(fā)生炎癥反應(yīng)。

2006年，HpAG1完成測序[5]?；蚪M序列與26695和J99基本相似，因為存在cagA和vacA，故HPAG1屬于1型菌株。HpAG1基因組大小約1 596 366 bp，已預(yù)測出1 536個ORF，其中僅有43個基因存在于HpAG1中。分析發(fā)現(xiàn)共同存在于26695和J99中的29個基因在HpAG1中已經(jīng)丟失。

近期，G27完成測序[6]。這一菌株有自然變形的特性，可以將CagA轉(zhuǎn)運至胃黏膜上皮細(xì)胞，并能應(yīng)對宿主體內(nèi)多種環(huán)境變化。G27的基因組大小與26695、J99、HpAG1相似，約1 652 983 bp，GC含量約占38.9%，預(yù)測出1 515個ORF。與26695不同的是，G27中含有大量的特異性基因的可塑性區(qū)域，預(yù)測有58個基因存在于G27中，但在26695、J99、HpAG1中并未發(fā)現(xiàn)。

2 H.pylori基因組縮減機制

對基因組比較分析發(fā)現(xiàn)，基因組縮減主要發(fā)生于H.pylori中。H.pylori主要定居于人類胃黏膜中，宿主遺傳背景的多樣性顯著影響了胃黏膜的免疫炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致H.pylori基因組發(fā)生了改變。H.pylori共分為7個亞群，分別為HpAfrica1、HpAfrica2、HpEastAsia、HpEurope、HpNEAfrica、HpAsia2、HpSahul，其中，HpEurope的基因組最大，約1.65 mbp，而HpEastAsia基因組最小，約1.60 mbp?；蚪M的大小主要由基因的獲得或丟失決定的。基因的獲得主要通過基因復(fù)制或基因水平轉(zhuǎn)移[7]?；虻膩G失以突變或重組的方式為主[8]。

蛋白編碼基因與基因組大小密切相關(guān)。通過刪除不必要的基因或多余基因以降低基因組大小[9]。隨著這些基因的丟失，它們的旁系同源基因能夠逐漸彌補它們原有的功能。不必要基因或多余基因的刪除可能是導(dǎo)致東亞地區(qū)H.pylori基因組縮減的主要原因。

GC含量也與基因組的大小相關(guān)[10]。突變是導(dǎo)致GC含量降低的主要原因，突變和重組常常發(fā)生于細(xì)菌進(jìn)化中[11]。研究發(fā)現(xiàn)，GC含量按HpAfrica1、HpAfrica2、HpEurope、HpAsia2、HpEastAsia順序降低，故東亞組H.pylori的GC含量最低?；蚪M縮減可使細(xì)菌消耗較低的能量維持DNA結(jié)構(gòu)和重組[12]，不需要較高的營養(yǎng)成分，使其在細(xì)菌增殖和生長方面明顯優(yōu)于其他亞群。東亞地區(qū)H.pylori感染率明顯高于其他地區(qū)，這與東亞地區(qū)H.pylori的基因組最小有關(guān)，但其致癌性是否與其他原因有關(guān)，如宿主、樣本量、研究方法等，我們?nèi)孕枳龃罅肯嚓P(guān)實驗以進(jìn)一步證實，另外基因組縮減是否與胃癌的發(fā)生率呈正相關(guān)，也需進(jìn)一步驗證。

3 H.pylori多態(tài)性與胃癌的關(guān)系

不同菌株甚至同一菌株的不同株系存在著豐富的遺傳多樣性，為了更準(zhǔn)確地表述菌株的全部遺傳信息和生物學(xué)特性，2005年，美國科學(xué)家首次提出了pan-genome的概念。pan-genome是同一菌株不同株系的全部遺傳信息的總和，包括核心基因組和輔助基因組[13]。核心基因組存在于幾乎所有菌株中，它決定著細(xì)菌的物種特性。輔助基因組僅存在于部分菌株中，它們決定著菌株的生物學(xué)特異性。輔助基因組大約占到整個基因組的22%～27%[5]。與H.pylori菌株的全基因組測序一致的是，輔助基因組由編碼未知功能的蛋白、cag蛋白、外膜蛋白和DNA代謝蛋白組成。通過對H.pylori不同亞群之間基因含量的比較，發(fā)現(xiàn)基因組差異主要集中在外膜蛋白和核心代謝相關(guān)基因的不同[14]。與西方地區(qū)菌株相比，東亞地區(qū)菌株缺少上述兩種基因。H.pylori中共有12個與鉬代謝相關(guān)的基因，包括鉬轉(zhuǎn)運蛋白、輔助因子合成蛋白及含鉬系酶。東亞地區(qū)菌株中鉬相關(guān)基因大量丟失，它可能通過改變其他的路徑完成了上述功能[14]。由于突變和重組，在東亞菌株中，編碼這些蛋白的數(shù)量趨于降低。

H.pylori通過其特有的Ⅳ型分泌系統(tǒng)將CagA蛋白注入宿主細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)位于宿主細(xì)胞質(zhì)膜的酪氨酸激酶c-Src和Lyn將其羧基末端Glu-Pro-Ile-Ala(EPIYA)重復(fù)序列中的酪氨酸磷酸化，然后與SHP2結(jié)合，激活SHP2的活性，從而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，引起肌動蛋白聚合及細(xì)胞骨架重排，從而導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生“蜂鳥”樣改變[15]。由此可見CagA陽性菌株在胃癌的發(fā)生中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。一項研究[16]對比了分別來自東亞地區(qū)和歐洲地區(qū)的strain98-10和strainB128的基因表達(dá)。Strain98-10的CagA蛋白編碼3種EPIYA模序，分別為EPIYA-A、EPIYA-B和EPIYA-D，EPIYA-D是東亞地區(qū)H.pylori的一個重要特點[17]?？张荻舅谹(vacuolatingcytotoxin A,vacA)是另一個H.pylori體內(nèi)與胃癌有重要關(guān)系的細(xì)胞毒素成分。編碼 vacA 蛋白的基因有 4個結(jié)構(gòu)域,分別是 s(signal)、i(intermediate)、d(deletion)和 m(middle)域。毒力最強的基因型組合為 s1/m1，此種菌株引起胃癌的幾率最大,其次是 s1/m2 基因型組合,而 s2 不論與哪個等位基因組合均無毒性[18]。培養(yǎng)strain98-10的肉湯培養(yǎng)基表層物質(zhì)可使Hela細(xì)胞發(fā)生空泡變性，進(jìn)一步說明該菌株存在有活性的vacA，而東亞地區(qū)的菌株大多存在s1/m1類型的vacA等位基因。strainB128的CagA蛋白編碼兩種EPIYA模序，分別為EPIYA-A和EPIYA-C。Batista等[19]在巴西的研究也證實，EPIYA-C的數(shù)目與胃癌的發(fā)病率呈明顯正相關(guān)。strainB128存在s1/m2類型的vacA等位基因，培養(yǎng)strainB128的肉湯培養(yǎng)基表層也未使Hela細(xì)胞發(fā)生空泡變性。上述實驗從基因水平方面分析不同地域、不同H.pylori菌株的基因組差異與胃癌發(fā)生的風(fēng)險，表明東亞地區(qū)的H.pylori基因表型更利于胃癌的發(fā)生。此外，也有學(xué)者認(rèn)為EPIYA多態(tài)性與胃癌發(fā)生無相關(guān)性[20-21]，具體原因及相關(guān)分子生物學(xué)機制需進(jìn)一步研究證實。

4 H.pylori群體差異與胃癌的關(guān)系

H.pylori已與人類共存超過58 000年。H.pylori分為7個亞群，有些亞群進(jìn)一步分出亞組,例如，HpEastAsia分為3個亞組，包括hspEasia、hspAmerind和hspMaori[22]， HpAfrica1分為hspWAfrica和hspSAfrica[23]。H.pylori的不同祖先起源是導(dǎo)致胃癌發(fā)生的重要原因。這一結(jié)論在馬來西亞的一項研究中得到初步證實[24]，該國家包括3個種族，分別為馬來人種、印度人種和中國人種。馬來人種的H.pylori感染率明顯低于印度和中國人種。而馬來人種和印度人種的胃癌發(fā)生率相似，均遠(yuǎn)低于中國人種。從H.pylori菌株的祖先起源分析發(fā)現(xiàn)來自馬來人和印度人種的菌株主要屬于HpAsia2，而分離自中國人種的菌株主要是HpEastAsia菌株，這表明HpAsia2和HpEastAsia菌株的致癌性不同。另一項研究[25]對哥倫比亞安第斯山脈的居民和距該山脈200 000 m的海岸地區(qū)居民的胃癌發(fā)生率進(jìn)行比較，提示這兩個地區(qū)H.pylori感染率和毒力菌株的比例相似，但是安第斯山脈的居民胃癌發(fā)生率極高(150/100 000人每年)，而海岸地區(qū)的居民胃癌發(fā)生率較低(6/100 000人每年)。研究發(fā)現(xiàn)，所有分離自安第斯山地區(qū)居民的H.pylori菌株屬于HpEurope，而海岸地區(qū)居民分離出的菌株主要是HpAfrica1。進(jìn)一步研究表明，安第斯山地區(qū)分離的菌株會引起更嚴(yán)重的黏膜炎癥和上皮細(xì)胞的DNA損傷，這表明HpEurope相對HpAfrica1菌株致癌潛力更高。上述研究表明不同地區(qū)胃癌的發(fā)生率與H.pylori群體差異有關(guān)，不同亞群的H.pylori的致癌性不同。在未來的研究中，我們需要進(jìn)一步研究其他細(xì)菌因素與胃癌發(fā)生的關(guān)系，便于提出新的預(yù)防措施和治療方案。

5 總結(jié)和展望

隨著高通量測序的迅速發(fā)展和pan-genome概念的問世，人們發(fā)現(xiàn)，各菌株基因組之間存在豐富的遺傳多樣性，每一菌株都有區(qū)別于其他菌株的特異性基因表型，東亞地區(qū)的H.pylori基因表型促進(jìn)胃癌的發(fā)生。目前盡管對H.pylori菌株進(jìn)行了大量實驗研究，但其多態(tài)性與胃癌的關(guān)系仍存在廣泛爭議，仍需做進(jìn)一步研究，便于為胃癌的預(yù)防、評估和治療提出新的思路。

[1]Tatematsu M, Tsukamoto T, Toyoda T. Effects of eradication of Helicobacter pylori on gastric carcinogenesis in experimental models [J]. J Gastroenterol, 2007, 42 Suppl 17: 7-9.

[2]Handa O, Naito Y, Yoshikawa T. CagA protein of Helicobacter pylori: a hijacker of gastric epithelial cell signaling [J]. Biochem Pharmacol, 2007, 73(11): 1697-1702.

[3]Tomb JF, White O, Kerlavage AR, et al. The complete genome sequence of the gastric pathogen Helicobacter pylori [J]. Nature, 1997, 388(6642): 539-547.

[4]Alm RA, Ling LS, Moir DT, et al. Genomic-sequence comparison of two unrelated isolates of the human gastric pathogen Helicobacter pylori [J]. Nature, 1999, 397(6715): 176-180.

[5]Oh JD, Kling-B?ckhed H, Giannakis M, et al. The complete genome sequence of a chronic atrophic gastritis Helicobacter pylori strain: evolution during disease progression [J]. Proc Nati Acad Sci U S A, 2006, 103(26): 9999-10004.

[6]Baltrus DA, Amieva MR, Covacci A, et al. The complete genome sequence of Helicobacter pylori strain G27 [J]. J Bacteriol, 2008, 191(1): 447-448.

[7]Furuta Y, Kawai M, Yahara K, et al. Birth and death of genes linked to chromosomal inversion [J]. Proc Nati Acad Sci U S A, 2011, 108(4): 1501-1506.

[8]Aras RA, Kang J, Tschumi AI, et al. Extensive repetitive DNA facilitates prokaryotic genome plasticity [J]. Proc Nati Acad Sci U S A, 2003, 100(23): 13579-13584.

[9]Mendon?a AG, Alves RJ, Pereira-Leal JB. Loss of Genetic redundancy in reductive genome evolution [J]. PLoS Comput Biol, 2011, 7(2): e1001082.

[10]Musto H, Naya H, Zavala A, et al. Genomic GC level, optimal growth temperature, and genome size in prokaryotes [J]. Biochem Biophys Res Commun, 2006, 347(1): 1-3.

[11]Didelot X, Nell S, Yang I, et al. Genomic evolution and transmission of Helicobacter pylori in two South African families [J]. Proc Nati Acad Sci U S A, 2013, 110(34): 13880-13885.

[12]Ranea JA, Grant A, Thornton JM, et al. Microeconomic principles explain an optimal genome size in bacteria [J]. Trends Genet, 2005, 21(1): 21-25.

[13]Tettelin H, Masignani V, Cieslewicz MJ, et al. Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial "pan-genome" [J]. Proc Nati Acad Sci U S A, 2005, 102(39): 13950-13955.

[14]Kawai M, Furuta Y, Yahara K, et al. Evolution in an oncogenic bacterial species with extreme genome plasticity: Helicobacter pylori East Asian genomes [J]. BMC Microbiol, 2011, 11: 104.

[15]Quiroga AJ, Huertas A, Cómbita AL, et al. Variation in the number of EPIYA-C repeats in CagA protein from Colombian strains and its ability middle to induce hummingbird phenotype in gastric epithelial cells [J]. Biomedica, 2010, 30(2): 251-258.

[16]Busler VJ, Torres VJ, McClain MS, et al. Protein-protein interactions among Helicobacter pylori cag proteins [J]. J Bacteriol, 2006, 188(13): 4787-4800.

[17]Backert S, Tegtmeyer N, Selbach M. The versatility of Helicobacter pylori, CagA effector protein functions: the master key hypothesis [J]. Helicobacter, 2010, 15(3): 163-176.

[18]Matteo MJ, Armitano RI, Granados G, et al. Helicobacter pylori oipA, vacA and dupA genetic diversity in individual hosts [J]. J Med Microbiol, 2010, 59(Pt 1): 89-95.

[19]Batista SA, Rocha GA, Rocha AM, et al. Higher number of Helicobacter pylori, CagA EPIYA C phosphorylation sites increases the risk of gastric cancer, but not duodenal ulcer [J]. BMC Microbiol, 2011, 11: 61.

[20]Acosta N, Quiroga A, Delgado P, et al. Helicobacter pylori CagA protein polymorphisms and their lack of association with pathogenesis [J]. World J Gastroenterol, 2010, 16(31): 3936-3043.

[21]Qadri Q, Afroze D, Rasool R, et al. CagA subtyping in Helicobacter pylori, isolates from gastric cancer patients in an ethnic Kashmiri population [J]. Microb Pathog, 2014, 66: 40-43.

[22]Suzuki R, Shiota S, Yamaoka Y. Molecular epidemiology, population genetics, and pathogenic role of Helicobacter pylori [J]. Infect Genet Evol, 2012, 12(2): 203-213.

[23]Correa P, Piazuelo MB. Evolutionary history of the Helicobacter pylori genome: implications for gastric carcinogenesis [J]. Gut Liver, 2012, 6(1): 21-28.

[24]Tay CY, Mitchell H, Dong Q, et al. Population structure of Helicobacter pylori among ethnic groups in Malaysia: recent acquisition of the bacterium by the Malay population [J]. BMC Microbiol, 2009, 9: 126.

[25]de Sablet T, Piazuelo MB, Shaffer CL, et al. Phylogeographic origin of Helicobacter pylori is a determinant of gastric cancer risk [J]. Gut, 2011, 60(9): 1189-1195.

(責(zé)任編輯：馬 軍)

Relationship between polymorphism of Helicobacter pylori and risk of gastric cancer

KONG Lingling, DONG Quanjiang, TIAN Zibin

Department of Gastroenterology, the Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266003, China

Helicobacter pylori (H.pylori) is closely related to gastric cancer. It has great diversity among different strains and even in different lines of one strain and obvious differentiation in phenotype, it is associated with genomic genetic information. Genome reduction with reduced number ofH.pyloricoding genes, thus, requires less cost of energy and nutrition.H.pylorioriginating from East Asia could have an enhanced capacity of bacterial proliferation and growth, facilitating the spreading of the bacterium. This paper summarized the essential feature ofH.pylorigenome, analyzedH.pyloripolymorphism, and further discussed the relationship between genome genetic diversity and gastric cancer. It is helpful to further understand the pathogenic mechanism ofH.pylori, This would provide theoretical basis for prevention and treatment of diseases.

Helicobacter pylori; Polymorphism; Gastric cancer

10.3969/j.issn.1006-5709.2016.11.002

孔玲玲，碩士研究生，研究方向：幽門螺桿菌與胃癌發(fā)病機制。E-mail：18354279019@163.com

田字彬，醫(yī)學(xué)博士，教授，主任醫(yī)師，研究方向：幽門螺桿菌與胃癌發(fā)病機制，胰腺炎、胰腺癌的診治與營養(yǎng)支持。E-mail：tianzb@qdumh.qd.sd.cn

735.2

A

1006-5709(2016)11-1214-03

2016-04-19