表觀遺傳調(diào)控對(duì)幽門螺桿菌陽性胃癌致病作用的研究進(jìn)展

高 春,江晶晶,陳玉春,于曉輝,鄭曉鳳,張久聰

表觀遺傳學(xué)是一種由染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化介導(dǎo)的體細(xì)胞可遺傳的基因表達(dá)模式或在不改變 DNA 序列的情況下發(fā)生的細(xì)胞表型。表觀遺傳修飾決定基因表達(dá)水平和時(shí)間,是響應(yīng)內(nèi)源性和外源性刺激的重要因素,涉及DNA修復(fù)、DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂等[1]。表觀遺傳學(xué)研究為臨床治療提供了有效理論基礎(chǔ),如通過恢復(fù)特定甲基化基因的功能以防止癌癥的發(fā)展[2]。近年來,致病菌抗生素耐藥成為了臨床難題,對(duì)與細(xì)菌抗微生物耐藥性的遺傳起源的研究主要集中在遺傳學(xué)上。細(xì)菌基因組的表觀遺傳修飾成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[3]。本文就表觀遺傳學(xué)對(duì)幽門螺桿菌(Helicobacter pylori,Hp)陽性胃癌的影響及相互作用作一簡要綜述。

1 Hp致癌機(jī)制

研究表明,包括Hp在內(nèi)的多數(shù)細(xì)菌為了更好地存活會(huì)對(duì)宿主進(jìn)行表觀遺傳操作[4]。文獻(xiàn)[5,6]報(bào)道,在致病性大腸桿菌感染的小鼠分離的尿路上皮干細(xì)胞系中,發(fā)現(xiàn)了染色質(zhì)可及性的差異、DNA甲基化和組蛋白修飾,提示該菌充當(dāng)重新編程尿路上皮表觀遺傳基因組的誘導(dǎo)劑,進(jìn)而導(dǎo)致尿路上皮內(nèi)在重塑對(duì)后繼感染的先天反應(yīng)。結(jié)核分枝桿菌細(xì)胞的生長需要伸長和分離之間的協(xié)調(diào),分裂因子SepIVA甲基化位點(diǎn)的改變會(huì)影響宿主免疫應(yīng)答[7]。單核細(xì)胞增生李斯特菌利用多種途徑同樣避免了調(diào)節(jié)宿主T細(xì)胞激活的清除[8]。Wnt、Hedgehog和Notch等信號(hào)通路常見于胚胎的發(fā)生和癌癥的發(fā)展中。在胎兒的形成過程中,胚胎發(fā)生細(xì)胞必須通過改變結(jié)構(gòu)以到達(dá)它們的正確位置,這些細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷重要的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)。EMT表型包括遷移能力、侵襲性增強(qiáng)、抗凋亡性和E-chaterin的丟失[9]。一部分髓母細(xì)胞瘤患者攜帶SUFU基因突變,但該基因功能的缺失會(huì)通過上調(diào)Hedgehog和Wnt通路,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞增殖失調(diào)[10]。了解癌癥如何利用這些信號(hào)通路產(chǎn)生抗治療耐藥,這可以進(jìn)一步探索以研發(fā)新的治療方法。

Hp感染率已超過世界上50%的人口,感染可持續(xù)存在。85%感染者只患有輕微的胃炎,胃癌的發(fā)生率1%[11],文獻(xiàn)[12]報(bào)道,Hp的致病機(jī)制可能取決于細(xì)菌遺傳表達(dá)的毒力因子,這可能有利于或阻礙Hp逃避宿主免疫反應(yīng)、建立定植及誘發(fā)疾病。而基因多樣性本身就是細(xì)菌逃避免疫識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Hp可以依賴多種策略逃避宿主免疫,并產(chǎn)生慢性炎癥和長期定植。Hp產(chǎn)生的脲酶可以提供NH3和CO2,這是中和胃的高酸性環(huán)境和允許細(xì)菌生存所必不可少的。NH3破壞了組織結(jié)構(gòu),CO2保護(hù)Hp免受吞噬細(xì)胞侵害,誘導(dǎo)血管生成和新血管形成,進(jìn)而促進(jìn)胃癌的發(fā)生[13]。

Cag致病性島(cag-pathogenicity island,cagPAI)包含32個(gè)編碼細(xì)菌IV型分泌系統(tǒng)(type IV secretion system,T4SS)和CagA蛋白的基因[14]。T4SS的作用是將CagA轉(zhuǎn)移到胃上皮細(xì)胞并激活致癌信號(hào)通路。Bai等[15]發(fā)現(xiàn),表達(dá)cagPAI的Hp菌株與胃癌發(fā)生密切相關(guān)。體外研究表明,CagA可誘導(dǎo)AGS細(xì)胞發(fā)生胃癌,這一結(jié)果已在Hp感染的慢性胃炎組織中得到證實(shí)[16]?？张菁?xì)胞毒素(vacuolating cytotoxin,VacA)是Hp的另一種高致病性的毒力基因,不同基因型具有不同程度的空泡活性?；蛐蛃1/m1具有較高的空泡活性;s1/m2具有中等空泡活性,s2/m2無空泡活性[17]。攜帶s1或m1表達(dá)VacA的Hp菌株感染的患者發(fā)生胃癌的風(fēng)險(xiǎn)增加。Li等[18]提出,VacA抗體與胃癌發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)之間存在顯著關(guān)聯(lián),可能作為預(yù)測(cè)胃癌風(fēng)險(xiǎn)的潛在生物標(biāo)志物。綜上所述,該菌以高突變率(每年每個(gè)10-6個(gè)位點(diǎn))和混合感染時(shí)發(fā)生反復(fù)重組為主要特征[19]。這些特性賦予Hp高度的遺傳多樣性,以至于幾乎每個(gè)感染者都攜帶一個(gè)獨(dú)特的菌株。

2 Hp基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控

除了高突變率和重組外,Hp還進(jìn)化出了相位變異,這為快速和可逆的基因表達(dá)開關(guān)機(jī)制提供了可能。相位變異一般是指編碼表面表達(dá)毒力基因的基因啟動(dòng)子的串聯(lián)發(fā)生突變[20]。這些基因的隨機(jī)切換產(chǎn)生了表型多樣化的亞群,有利于細(xì)菌逃避宿主的免疫反應(yīng)[21]。而相位變化與編碼表面結(jié)構(gòu)的基因有關(guān),包括Hp為主的細(xì)菌等具有與III型限制性修飾(R-M)系統(tǒng)相關(guān)的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因(modH基因),這些基因保護(hù)細(xì)菌宿主免受外來DNA的入侵,而不影響重組和因此產(chǎn)生的等位基因替代[22,23]。Hp含有許多II型和III型R-M系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)表明,這些甲基轉(zhuǎn)移酶可能具有除防止外來DNA入侵以外的更多功能,這些功能之一被證明是通過表觀遺傳機(jī)制調(diào)節(jié)modH基因的表達(dá)而發(fā)揮作用。Hp modH基因有17個(gè)不同的等位基因,其中ModH3和ModH5常在臨床分離的細(xì)菌中檢測(cè)到[24]。在ModH5調(diào)控的基因中,有兩個(gè)在人類胃中定植所必需的編碼鞭毛(FlaA和Flik),還有一個(gè)逃避TLR5編碼外膜蛋白HopG的基因也受ModH5的控制。此外,由HopG蛋白介導(dǎo)的細(xì)菌黏附是Hp定殖胃上皮所必需的[25,26]。該蛋白也被認(rèn)為是預(yù)防Hp感染的潛在疫苗[27,28]。每個(gè)Hp菌株都攜帶一套不同的R-M系統(tǒng),甲基組差異很大[29],在97%菌株中,只有少數(shù)靶標(biāo)被甲基化[30]。

表觀遺傳學(xué)有助于胃癌進(jìn)展,排除了與胃癌相關(guān)的表觀遺傳學(xué)標(biāo)記物的檢測(cè)后發(fā)現(xiàn),盡管基因突變改變了DNA序列,但甲基化的存在可使DNA序列保持不變。這種差異為識(shí)別與胃癌相關(guān)的表觀遺傳標(biāo)記提供了線索,對(duì)早期診斷和研發(fā)抗胃癌新療法意義重大。Forkhead box(Fox)基因是調(diào)控代謝、細(xì)胞分化、細(xì)胞增殖和凋亡的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。Fox基因FOXO3的啟動(dòng)子是Hp感染小鼠和Hp感染患者的人類胃黏膜樣本中唯一顯示甲基化增加的區(qū)域[31]。McLaughlin-Drubin等[32]發(fā)現(xiàn),FOXD3一旦被激活可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡,抑制Hp感染小鼠胃癌細(xì)胞增殖,進(jìn)而減緩腫瘤生長。其他Hp感染小鼠模型、人類胃癌活檢和細(xì)胞研究數(shù)據(jù)也同樣表明,FOXD3是一個(gè)被Hp甲基化的腫瘤抑制基因,并建立了FOXD3啟動(dòng)子被Hp甲基化作為早期表觀遺傳標(biāo)記[33]。

文獻(xiàn)[34]報(bào)道,一些Hp毒力因子可促進(jìn)胃癌的發(fā)展,如CagPAI將CagA和細(xì)菌DNA轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞內(nèi)。CagA是一種癌蛋白,可激活與癌變相關(guān)的多種因子并與之相互作用[35]。CagA的活性通過Hp誘導(dǎo)的炎癥和與VacA的相互作用而增強(qiáng)[36]。此外,在合并EB病毒感染的胃上皮細(xì)胞中,CagA+Hp菌株受益于CagA和胃微生物群的致癌活性[37]。CagA是Hp啟動(dòng)癌變至關(guān)重要因素之一,但胃癌病理改變發(fā)生后,Hp就不再是必要因素,這就是發(fā)生癌變的逃逸模型,即一種感染因子在感染后不久就會(huì)誘發(fā)癌變,并且在它的存在不再是必要的時(shí)候就會(huì)直接誘發(fā)癌變。表達(dá)VacA和CagA的Hp菌株具有高毒力,可引起特別嚴(yán)重的胃部疾病,但目前尚不清楚這些因素是否與表觀遺傳學(xué)有關(guān)。

3 根除Hp影響表觀遺傳學(xué)和胃癌

VacA和CagA改變了胃上皮細(xì)胞的多條通路。慢性炎癥和線粒體損傷,以及Hp感染相關(guān)的活性氧(reactive oxygen species,ROS)和一氧化氮(nitric oxide,NO)誘導(dǎo)胃黏膜的異常表觀遺傳改變,均是胃癌發(fā)生的主要原因[38-40]。事實(shí)上,在胃癌和Hp感染患者的癌前病變中發(fā)現(xiàn)的基因CDKN2A、CDH1和RUNX3使腫瘤抑癌基因失活。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,抑制異常DNA甲基化通常可以防止胃癌的進(jìn)展。遺傳因素也有助于胃癌的發(fā)生。與胃癌相關(guān)的突變已在基因TP53、CDH1、ARIDIA和RHOA中被發(fā)現(xiàn)[41,42]。然而,突變占所有胃癌病例的15%。事實(shí)上,抑癌基因hMLH1和CDH1的失活通常是由于DNA甲基化異常而不是突變引起的。雖然早期胃癌切除術(shù)后根除Hp可防止胃癌的發(fā)展[43],但根除Hp并不能阻止異時(shí)性胃癌的發(fā)展[44]。根除Hp僅能在沒有萎縮、腸化生(intestinal metaplasia,IM)和發(fā)育不良等癌前病變的患者中預(yù)防癌癥的發(fā)展[45]。一旦IM存在,胃癌的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加6倍[46]?？紤]到癌癥起源于具有分裂潛能的細(xì)胞,細(xì)菌重編程很可能發(fā)生在干細(xì)胞中。利用線粒體DNA(mtDNA)突變作為克隆擴(kuò)增的標(biāo)記,證實(shí)突變最初發(fā)生在單個(gè)干細(xì)胞中,該干細(xì)胞通過二元裂變擴(kuò)散,直到發(fā)育出一批突變的上皮細(xì)胞,從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)展[47],同時(shí)也證明了mtDNA突變?cè)谖赴┌l(fā)生發(fā)展中的作用[48]。mtDNA突變經(jīng)常發(fā)生在Hp陽性的胃癌患者中,關(guān)于Hp感染的慢性胃炎患者及Hp感染小鼠的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)[49,50]。Hp通過誘導(dǎo)線粒體基因組突變,破壞氧化磷酸化代謝,增加ROS生成和mtDNA損傷。綜上所述,Hp的致癌特性由多個(gè)因素引起,如其毒力因子的遺傳毒性作用以及遺傳和表觀遺傳因子。Hp還通過下調(diào)轉(zhuǎn)錄因子和DNA修復(fù)基因表達(dá)間接調(diào)節(jié)基因表達(dá)進(jìn)而調(diào)控癌癥的發(fā)生發(fā)展[51]。

Hp致癌特性機(jī)制不同,如細(xì)菌毒力因子的毒性作用、線粒體基因組突變、氧化磷酸化代謝改變,以及增加ROS的產(chǎn)生等[52],其中胃黏膜的異常表觀遺傳改變?nèi)允亲钪匾闹掳┮蛩?但具體機(jī)制尚不明確[53]。Hp的抗生素耐藥性正在逐年上升,如果能從表觀遺傳學(xué)方面研發(fā)相關(guān)藥物,可以減少耐藥發(fā)生,提高Hp根除率,是根除Hp以及治療Hp陽性胃癌疾病患者的一種有前景的策略。