幽門螺旋桿菌CagA 以及VacA 致病機制的研究進(jìn)展

楊慧君，王學(xué)紅

（1.青海大學(xué)，青海 西寧810000；2.青海大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，青海 西寧810000）

0 引言

幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori,H.pylori，HP) 是一種革蘭氏陰性微厭氧菌，寄生在人的胃內(nèi)，粘附于胃粘膜及細(xì)胞間隙，是最常見的定值細(xì)菌之一，世界上大約有一半的人感染此菌[1]。H.pylori 是目前最明確的胃癌發(fā)生危險因素。H.pylori相關(guān)性胃病除胃環(huán)境因素和宿主遺傳因素共同作用外，其毒力因子也發(fā)揮著舉足輕重的作用。幽門螺桿菌可表達(dá)多種毒力因子，如細(xì)胞毒素相關(guān)基因A(CagA)、空泡毒素A(VacA)等重要的毒力基因是幽門螺桿菌向宿主致病所必需的。我國幽門螺旋桿菌感染率雖高，但只有1-3%的人會發(fā)展成胃癌。這表明幽門螺桿菌性胃病的嚴(yán)重程度及臨床轉(zhuǎn)歸可能與毒力因子的表達(dá)差異有關(guān)。這表明宿主的免疫反應(yīng)與幽門螺桿菌毒力因子之間存在一種獨特的相互作用方式[2]。本文就CagA、VacA 的分子結(jié)構(gòu)及其在致病性中的作用做一綜述。

1 CagA-致病島 (CagPAI)的分子結(jié)構(gòu)

細(xì)胞毒素相關(guān)基因致病島（CagPAI）是一個40kb 的基因簇，由31 個開放閱讀框組成，編碼一個多組分的細(xì)菌IV 型分泌系統(tǒng)（T4SS）和效應(yīng)蛋白空泡細(xì)胞毒素CagA,T4SS 形成一個注射器樣的結(jié)構(gòu)，與宿主上皮接觸，并將效應(yīng)蛋白CagA 和肽聚糖轉(zhuǎn)移到上皮細(xì)胞中[3]。H.pylori 最重要的毒力因子之一是完整的CagPAI，并不是所有的幽門螺桿菌菌株都含有完整的CagPAI。Ahmadzadeh 等[4]研究證明，不同幽門螺桿菌亞群中CagPAI 陽性菌株的流行率不同，在日本，57.1%的幽門螺桿菌菌株具有完整的CagPAI，而從秘魯和印度分離的菌株分別只有18.1% 和12% 具有完整的CagPAI。與CagPAI中某些基因缺失的H.pylori 相比，H.pylori 中完整CagPAI 的存在與嚴(yán)重胃病相關(guān)。CagPAI 可分為CagI 和CagII 兩部分，由IS601 插入序列分開。IS601 的存在被證明與胃癌的高風(fēng)險相關(guān)[5]。CagPAI 在H.pylori 的毒力中是必不可少的，因為這類基因編碼IV 型分泌系統(tǒng)（T4SS）和刺激白細(xì)胞介素8（IL-8）分泌的因子。CagPAI 上共有17 個基因參與了T4SS 的形成，另外14 個基因參與了IL-8 的分泌，T4SS將CagA 注射到細(xì)胞中而致病[6]。研究[7]指出幽門螺桿菌CagPAI 以CagA 和CagE 依賴的方式在Lrig1（富含亮氨酸重復(fù)序列和Ig 樣結(jié)構(gòu)域）表達(dá)中發(fā)生作用。Lrig1 是一種跨膜蛋白，可作為腸干細(xì)胞標(biāo)記物。研究表明，胃竇和胃體癌前病變中的Lrig1 陽性細(xì)胞較正常粘膜和胃粘膜明顯增多，這表明這些細(xì)胞可能促進(jìn)幽門螺桿菌造成胃內(nèi)的損傷和致癌作用。

2 CagA 的分子結(jié)構(gòu)及其致病機制

2.1 分子結(jié)構(gòu)

CagA 它是由具有高毒力的CagPAI 的幽門螺桿菌菌株表達(dá)的，而在低毒力的CagPAI 陰性菌株中則不表達(dá)[8]。CagA由一個結(jié)構(gòu)化的N-末端和一個非結(jié)構(gòu)化的C-末端組成。CagA 的N-末端占整個CagA 的70%，它包括三個結(jié)構(gòu)域：結(jié)構(gòu)域I、結(jié)構(gòu)域II 和結(jié)構(gòu)域III。CagA 分子量的變化是由于其C-末端區(qū)域的結(jié)構(gòu)多態(tài)性所致，這些結(jié)構(gòu)多態(tài)性存在于不同的幽門螺桿菌菌株中。CagA 的N 端約占整個CagA 的70%，還包括三個結(jié)構(gòu)域：結(jié)構(gòu)域I、結(jié)構(gòu)域II 和結(jié)構(gòu)域。CagA 的分子量變化是由于其C 末端區(qū)域的結(jié)構(gòu)多態(tài)性所致，這些結(jié)構(gòu)多態(tài)性存在于不同的幽門螺桿菌菌株中[9]。CagA 通過宿主酪氨酸激酶特異性地在C 端多態(tài)區(qū)域的Glu-Pro-Ile-Tyr-Ala(EPIYA)基序上進(jìn)行酪氨酸磷酸化。據(jù)EPIYA 基序兩側(cè)的序列，在CagA 蛋白中鑒定出4 個不同的EPIYA 片段：EPIYA-A、EPIYA-B、EPIYA-C 和EPIYA-D。東亞以外地區(qū)的幽門螺桿菌菌株含有CagA 蛋白，EPIYA 片段排列為EPIYA- A(32 個氨基酸)、EPIYA- B(40 個氨基酸)、EPIYA- C(34 個氨基酸)，故稱為西方型CagA。在東亞國家發(fā)現(xiàn)的CagA 的EPIYA- 重復(fù)區(qū)域也含有EPIYA-A 和EPIYA-B片段，但不是串聯(lián)的EPIYA-C 片段，而是一個獨特的含有EPIYA 的片段，稱為EPIYA-D(47 個氨基酸)，CagA 蛋白被稱為東亞型CagA[10]。

2.2 CagA 的致病作用機制

幽門螺桿菌CagA 中的T4SS 中分離并分析了一個跨膜的核心復(fù)合體，它在胃癌的發(fā)病機制中起著重要的作用。細(xì)菌IV 型分泌系統(tǒng)具有輸出或輸入DNA 的功能，并能將效應(yīng)蛋白運送到各個靶細(xì)胞中。我們發(fā)現(xiàn)這個復(fù)合物含有5 個H.pylori蛋白，即CagM，CagT，Cag3，CagX 和CagY，每個蛋白都是CagA T4SS 活性所必需的[11]。CagT 對于效應(yīng)蛋白CagA 進(jìn)入上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)運至關(guān)重要，而其他如CagY 作為免疫敏感的分子調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)以促進(jìn)細(xì)菌的持久性并改變T4SS 的功能。最近的一項研究揭示了CagQ 在T4SS 中作為膜蛋白在維持CagA 表達(dá)和CagA 誘導(dǎo)的凋亡效應(yīng)中的作用[12]。另一種T4SS 組分CagL 是由CagL 基因(HP0539)編碼的組分，在幽門螺桿菌表面以T4SS 依賴的方式表達(dá)，并與含有整合素β1 的受體協(xié)同表達(dá)。尤其是整合素α5β1 是CagA 易位所必需的[13]。CagL 第76-78 位殘基的三肽基序精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)以及鄰近表面暴露的FEANE(苯丙氨酸-谷氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸)基序在T4SS 與整合素受體相互作用中是必不可少的，從而將CagA 轉(zhuǎn)位到宿主細(xì)胞。CagL 與整合素的RGD 依賴性結(jié)合也被證明可以觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號通路，誘導(dǎo)細(xì)胞前炎癥反應(yīng)，從而實現(xiàn)不依賴于重組蛋白的表達(dá)[14]。Román 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，新的CagL 變異與慢性胃炎和消化性潰瘍疾病(PUD)的發(fā)生有關(guān)。位于RGD基序上游第58-62 位氨基酸殘基的特殊多態(tài)性稱為CagL 高變基序(CagLHM)，與嚴(yán)重疾病的進(jìn)展相關(guān)[16]。因此，CagL 缺失被證明在許多方面都能完全敲除CagPAI，因為它是T4SS的重要組成部分[17]。這一行為被認(rèn)為是由于菌株不能在沒有CagL 的情況下對宿主細(xì)胞接觸做出反應(yīng)而形成起作用的T4SS。最近的一項研究結(jié)果表明，H.pylori CagL 除了在CagA易位中起關(guān)鍵作用外，還可能通過轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-α 激活的表皮生長因子受體(EGF-R)信號通路、H.pylori 誘導(dǎo)的蜂鳥現(xiàn)象(細(xì)胞的延長)以及T4SS 與其人類靶細(xì)胞的橋接而導(dǎo)致h.pylori 誘導(dǎo)的IL-8 表達(dá)[18]。

CagA 通過T4SS 進(jìn)入胃上皮細(xì)胞。雖然幽門螺旋桿菌合成了大量的CagA，但相對較少的CagA 移位于宿主上皮細(xì)胞內(nèi)。細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)位的CagA 水平也受自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)降解轉(zhuǎn)位的CagA[8]。CagA 的生物活性是由C-末端含有EPIYA 基序的EPIYA(谷氨酸-脯氨酸-異亮氨酸-酪氨酸-丙氨酸)序列的類型和數(shù)量決定的[19]。CagA 的EPIYA 基序轉(zhuǎn)位到宿主上皮細(xì)胞后，通過各種細(xì)胞激酶進(jìn)行酪氨酸(Y)磷酸化。磷酸化的酪氨酸與Src 同源2 磷酸酶(SHP2) 或適配蛋白GrB2 相互作用，通過激活多種細(xì)胞信號通路，阻礙細(xì)胞間的粘附、細(xì)胞增殖、IL-8表達(dá)和細(xì)胞伸長[20]。李[19]等最近的一項研顯示，在AGS 細(xì)胞中，CagA 刺激YAP 信號通路激活，導(dǎo)致胃癌的發(fā)生。與幽門螺桿菌陰性的患者相比，在感染幽門螺桿菌的慢性胃炎組織中，幽門螺桿菌感染可以增強YAP 的表達(dá)活性，同時抑制E-cadherin 的表達(dá)，這一體外實驗也印證了這一結(jié)果。

與EPIYA-C 基序相比，EPIYA-D 基序的CagA 與SHP2的結(jié)合親和力更強，因此，含有EPIYA-A、-B 和-D 基序的CagA 菌株被認(rèn)為比含有EPIYA-A、-B 和-C 基序的CagA菌株更具毒性[21]。在最近的一項薈萃分析中，在亞洲，與一個EPIYA-C 基序相比，具有單一EPIYA-D 基序的CagA 與胃癌風(fēng)險增加1.91 倍，而具有兩個或更多EPIYA-C 基序的CagA 與亞洲國家和地區(qū)的PUD 的風(fēng)險顯著增加相關(guān)。在亞洲國家和地區(qū)，具有兩個或更多EPIYA-C 基序(EPIYA-A、-B、-C、-C 或EPIYA-A、-B、-C、-C、-C)的CagA 與PUD 顯著相關(guān)[22]。除了EPIYA 基序的類型外，在西方特異性EPIYA Bmotif-like EPIYT-B 內(nèi)具有氨基酸多態(tài)性的菌株可能影響CagA 活性，降低誘導(dǎo)蜂鳥現(xiàn)象的能力和IL-8 的表達(dá)，從而降低十二指腸潰瘍和胃癌發(fā)生的風(fēng)險。研究[23]表明，分泌的H.pylori CagA 可誘導(dǎo)尾型同源盒1（CDX1）的表達(dá)，這是一種同源盒轉(zhuǎn)錄因子，在人類腸道發(fā)育和維持中發(fā)揮重要作用。CDX1 的激活促進(jìn)細(xì)胞增殖、侵襲/遷移、胃上皮細(xì)胞的腸化和干細(xì)胞樣表型的誘導(dǎo)，誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生和化療的失敗。最近另一項研究發(fā)現(xiàn)，幽門螺桿菌感染后，CagA 介導(dǎo)的熱休克蛋白1（HSP1）表達(dá)下調(diào)。CagA 依賴的急性HSP1 抑制抑制宿主的免疫應(yīng)答，因此幽門螺桿菌可能逃避免疫應(yīng)答并增強感染的建立。

3 空泡細(xì)胞毒素（VacA）分子結(jié)構(gòu)及致病機制

3.1 VacA 分子結(jié)構(gòu)

VacA 基因編碼的VacA 存在于所有H.pylori 菌株中。VacA 是一種重要的H.pylori 空泡細(xì)胞毒素，通過與胃上皮細(xì)胞的相互作用在致病性中發(fā)揮重要作用[24]。這種毒素能夠在真核細(xì)胞中誘導(dǎo)空泡形成毒素，因此被命名為VacA。最初，VacA 形成為140 kDa 的前毒素，通過自身轉(zhuǎn)運途徑分泌。成熟的88kDa 分泌毒素經(jīng)過蛋白水解產(chǎn)生兩個片段：p33 和p55[25]。VacA 序列包括四個區(qū)域中的不同等位基因亞型，即信號（s）、中間（m）、中間（i）和缺失（d）區(qū)域。編碼N-末端信號區(qū)域的“s”等位基因可出現(xiàn)為“s1”（亞型s1a、s1b 或s1c）和“s2”亞型，“m”等位基因出現(xiàn)為“m1”（亞型m1a 或m1b）或“m2”類型。第三個區(qū)域，中間（i）區(qū)域被確定在‘s’區(qū)域和‘m’區(qū)域之間，其分類為‘i1’、‘i2’或‘i3’類型。在“i”區(qū)域和“m”區(qū)域之間識別出第四個區(qū)域，即被劃分為“d1”和“d2”的刪除（d）區(qū)域[24]。

3.2 VacA 的致病機制

研究表明，三個區(qū)域不同序列的組合可以決定空泡形成的能力。同時，具有s1/m1 組合的基因型具有較高的空泡化活性，s1/m2基因型具有中等的空泡化活性。另一方面，基因型s2/m2沒有顯示出空泡形成活性[26]。這表明s2 基因型VacA 的空泡形成能力低于s1 基因型。與強疏水性的s1 區(qū)域相比，s2 區(qū)域在N-末端序列中含有額外的12 個氨基酸，是導(dǎo)致親水性的主要原因，這很可能導(dǎo)致陰離子選擇性通道形成和細(xì)胞空泡化的損傷。與s1 基因型相比，s2 基因型的VacA 從細(xì)胞質(zhì)膜向周質(zhì)空間的輸出效率較低[27]，這也支持了較低的空泡形成活性。據(jù)報道，具有s1 序列的菌株比s2 型菌株分泌更多的VacA，這可能是由于VacA 轉(zhuǎn)錄升高所致[28]。因此，這些差異可能導(dǎo)致具有s1/m1 基因型VacA 的菌株具有較高的空泡形成活性。

臨床分離出的潰瘍患者的幽門螺桿菌中，與非潰瘍性疾病患者相比，發(fā)現(xiàn)s1a、m1 和i1 基因型的VacA 患病率更高。在西方人群中進(jìn)行的一項薈萃分析發(fā)現(xiàn)，如果個體感染了s1或m1 區(qū)域的H.pylori，則個體發(fā)生胃癌的風(fēng)險增加[29]。在中亞和中東地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)感染了攜帶幽門螺桿菌的vacA i1 型的患者有較高的胃癌發(fā)生風(fēng)險[30]。針對VacA 的抗體與胃癌發(fā)生風(fēng)險的增加相關(guān)[29]。Li[31]等人最近進(jìn)行的一項薈萃分析觀察到VacA 抗體與消化性潰瘍疾病和胃癌風(fēng)險之間的關(guān)系，這表明VacA 作為一種生物標(biāo)志物在預(yù)測消化性潰瘍疾病和胃癌風(fēng)險方面具有重要作用。

VacA 蛋白是幽門螺桿菌的多功能毒力因子，在細(xì)胞致病性中發(fā)揮多種作用，對胃上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞均有影響，被認(rèn)為是一種對宿主細(xì)胞產(chǎn)生空泡化、細(xì)胞壞死等多種作用的多功能毒素[32]。Ivie 等[33]研究發(fā)現(xiàn)如果生物活性形式的VacA毒素被內(nèi)吞，它會形成膜通道，并從胃粘膜上皮細(xì)胞和細(xì)胞質(zhì)空泡化中滲出營養(yǎng)物質(zhì)如果VacA 結(jié)合到細(xì)胞表面，它會引發(fā)促炎反應(yīng)，當(dāng)VacA 通過緊密連接時，它調(diào)節(jié)T 細(xì)胞和B 細(xì)胞的激活和增殖，如果毒素被輸送到線粒體，VagA 通過將會線粒體途徑誘導(dǎo)胃上皮細(xì)胞凋亡。一項研究[34]闡述了另一種凋亡潛能，為VacA 觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活自噬和增加AGS細(xì)胞死亡提供了新的證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，位于中間區(qū)域的148個氨基酸片段利用了VacA 的細(xì)胞結(jié)合特異性，而含有VacA的菌株在胃上皮細(xì)胞內(nèi)對幽門螺旋桿菌的存活率最高。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，本文描述了幽門螺旋桿菌最主要的毒力因子在胃部致病嚴(yán)重程度中的重要性及發(fā)病機制，以更好地了解毒力因子在胃部疾病發(fā)生和進(jìn)展中的作用。根除幽門螺桿菌仍然是預(yù)防胃癌的首要任務(wù)，然而并不是所有的幽門螺桿菌感染都會導(dǎo)致胃癌，并且對宿主產(chǎn)生有害影響的毒力因子已經(jīng)被廣泛研究。但是，一些毒力因子如何具有引起胃病的能力，而其他因子則沒有，其確切機制尚待闡明。分子流行病學(xué)顯示幽門螺桿菌毒力因子在不同地區(qū)和人群中分布具有明顯的差異。H.pylori 在宿主免疫應(yīng)答、種族和人群中發(fā)揮更大致病作用的能力，因其作用機制尚不清楚而備受關(guān)注。