幽門螺桿菌毒力相關基因A及其亞型多樣性與胃癌的關系

劉 鹿，王 林，劉純杰

軍事醫學科學院，北京 1000711生物工程研究所；2解放軍第307醫院

綜 述

幽門螺桿菌毒力相關基因A及其亞型多樣性與胃癌的關系

劉 鹿1，王 林2，劉純杰1

軍事醫學科學院，北京 1000711生物工程研究所；2解放軍第307醫院

胃癌作為最常見的消化道惡性腫瘤之一，幽門螺桿菌(Helicobacter pylori，H.pylori)感染與胃癌的發生有密切的關系，其中H.pylori毒力相關因子A(CagA)成為胃癌發病機制研究的熱點。本文用新的視角總結了CagA參與的病理活動和其在胃癌發生、發展中可能起到的作用，同時對CagA及其亞型多樣性與胃病程度的關系進行論述。

幽門螺桿菌；毒力相關基因A；胃癌

胃癌是全球尤其是亞洲突出的健康問題。從病因上說，其不僅受環境因素和敏感基因變異的影響，同時也受到由遺傳和表觀遺傳的改變引起的積累作用的影響[1]。研究顯示，世界范圍內77%的胃非賁門部癌癥都與幽門螺桿菌(Helicobacter pylori，H.pylori)感染緊密相關[2]。H.pylori是一種可以長期定植于人類胃黏膜的革蘭陰性螺旋形微需氧菌，通過人與人之間口-口傳播途徑和糞-口傳播途徑，在全世界范圍內感染率＞50%，是引起胃炎、消化性潰瘍、胃黏膜相關的淋巴樣組織淋巴瘤和胃癌的重要病原體[3-4]。1994年，H.pylori被世界衛生組織列為Ⅰ類致癌因子。H.pylori的致病因子可以分為兩類，即直接導致細胞損傷的毒力因子和影響菌體存活、黏附及定植的相關因子。毒力因子包括CagA、VacA、DupA、OipA等，這些都被認為是可能造成嚴重臨床結果的潛在威脅因素[5-6]。流行病學研究顯示，感染可產生CagA蛋白的H.pylori可增加患胃癌的風險[7]。最近的研究也揭示了CagA進入宿主細胞后調節多種細胞信號轉導通路的機制[8-10]，分子流行病數據也揭示出更多H.pylori基因變化的地理分布詳情[11-12]。

1 CagA及其分型

CagA于20世紀90年代首次被發現，它是由位于H.pylori基因組的cag致病島(cag pathogenicity island，cag PAI)末端cagA基因編碼，大小為120 ～ 145 kU的免疫蛋白[13]。CagA通過Ⅳ型分泌系統進入胃上皮細胞，它在宿主細胞內進行磷酸化的位點-“谷氨酸－脯氨酸－異亮氨酸－酪氨酸－丙氨酸”基序(EPIYA基序)數量及組合的不同決定了CagA的多態性和亞型的分類。EPIYA基序分為4類，分別命名為EPIYA-A、EPIYA-B、EPIYA-C和EPIYA-D。EPIYA-C和EPIYA-D成為CagA亞型分類的基礎，凡具有EPIYA-C的稱為西方型CagA，凡具有EPIYA-D的稱為東亞型CagA。目前尚無文獻提及在單一的CagA蛋白中同時存在EPIYA-C和EPIYA-D[14-15]。EPIYA基序高度保守，僅有非常少的一部分發生序列改變，如變成EPIYT(1 796個EPIYA中有5.1%)，ESIYA(1.3%)或者ESIYT(0.4%)。西方型中，多數EPIYA基序改變都發生于EPIYA-B。

在日本沖繩地區發現了與東亞型不同的西式CagA，這可能是早年美國統治時期流動的美國人口攜帶的CagA菌株發生變異所致，我們稱此種H.pylori菌株為日本西方型[16]。同時，在美洲印第安地區發現了異于西方型和東亞型的新型，稱之為美國印第安型，它可分為兩大類，分別是AM-Ⅰ和AM-Ⅱ型；分析顯示美洲印第安型的EPIYA-B基序有所改變，兩型的N端內部缺乏含有180個氨基酸的片段[17]。

2 CagA進入宿主細胞后的生物學活動

2.1 膜相關的生物學活動 CagA通過Ⅳ型分泌系統進入宿主細胞錨定于胞膜內側。CagA吸收和改變通常位于細胞連接處的緊密連接蛋白-1(zonula occludens-1，ZO-1)和連接黏附分子(junctional adhesion molecule，JAM)的分布，通過與ZO-1和JAM的相互作用，改變宿主細胞間頂端連接復合物的結構和功能。頂端連接的功能性失調可以趨化細胞骨架結構、細胞極性、細胞增殖及分化進行癌性改變[18]。CagA在Src家族激酶(Src family kinases，SFKs)的作用下于磷酸化位點EPIYA基序發生磷酸化反應被磷酸化[19]，盡管所有的EPIYA基序都參與磷酸化反應，但EPIYA-A和EPIYA-B的作用明顯弱于EPIYA-C和EPIYA-D。因為CagA誘導的宿主細胞發生轉錄約80%都依賴磷酸化，所以這一過程顯得尤為重要[20]。EPIYA基序的數量與磷酸化水平及CagA生物學活性呈正相關，因此可以預測EPIYA基序的數量與胃癌相關。

2.2 磷酸化依賴的生物學活動 磷酸化后的CagA通過EPIYA-C、EPIYA-D基序與蛋白酪氨酸磷酸酶－2(SHP-2)結合，SHP-2的兩個區域(N-SH2和C-SH2)都與CagA形成穩定復合物的形式。SHP-2-CagA的相互作用不僅與磷酸化位點的個數相關，同時還與CagA分型相關[21]。東亞型CagA較西方型CagA擁有更強的與SHP-2結合的能力，這是由于EPIYA-D基序后緊隨由6個氨基酸組成的序列(Y-A-T-I-D-F)，這與同SHP-2的SH-2配位的基序相同，而西方型EPIYA-C基序中相對應的序列(Y-A-T-I-D-D)則以一個末端氨基酸(D對比F/W)的差異顯示出較弱的結合能力[22]。

被磷酸化CagA激活后的SHP-2抑制黏著斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)，FAK可以調節細胞黏附、遷移及存活。FAK活性的降低刺激細胞骨架的重排從而出現以宿主細胞伸長和擴散為特征的獨特形態學改變，像蜂鳥的嘴，故命名為“蜂鳥表型”。CagA激活的SHP-2同時也通過依賴Ras途徑及非依賴Ras途徑刺激細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase，Erk)[23]。與東亞型與SHP-2有更強結合能力相符的是，與西方型相比，東亞型CagA有更強的產生蜂鳥狀表型的能力，同時對細胞生長及Erk活性都有更強的影響。因此，研究猜測東亞型CagA較西方型CagA有更強的致病性。

絕大多數磷酸化的CagA與SHP-2結合，但也有少部分與C末端Src激酶(C-terminal Src kinase，Csk)相互作用。CSK的激活與CagA的相互作用反過來抑制SFKs。因此與磷酸化CagA對SFKs的直接抑制一起通過CSK間接抑制旁路形式的負反饋循環解除了對SFKs的磷酸化活性的限制。這兩種負反饋循環或許可以減輕由CagA磷酸化引起的細胞毒性[18]。與此同時，CagA介導的SFKs的抑制作用偏向于對其他宿主細胞蛋白去磷酸化，如黏著斑蛋白、埃茲蛋白和皮層蛋白，從而損害了宿主細胞同細胞外基質的黏附，并且擾亂了細胞肌動蛋白組織的功能[24]，這些共同作用或許引起了宿主細胞的蜂鳥狀表型改變。

2.3 不依賴磷酸化的生物學活動 CagA可以通過不依賴磷酸化的途徑對一些信號通路產生作用。CagA可與肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)受體c-Met相互作用，從而刺激細胞生長、運動和侵襲。CagA與生長因子受體結合蛋白2(growth factor receptor bound protein 2，Grb-2)結合，通過SOS途徑激活Ras/Erk旁路，從而導致細胞分散和增殖[25-26]。CagA和Grb-2之間的相互作用嚴格依賴EPIYA的存在，但并不需要進行酪氨酸磷酸化。值得一提的是，c-Met和Grb-2都曾被預測與細胞惡性轉變有關[27]。

日本學者曾發現，通過與E-鈣黏著蛋白的相互作用，CagA可干擾E-鈣黏著蛋白/β-聯蛋白復合物，從而導致β-聯蛋白在細胞質和細胞核中的累積。解除管制的β-聯蛋白信號傳導可引起具有致癌傾向的基因轉錄增強[14,28]。此外，多種胃部腫瘤體中可檢測到β-聯蛋白在細胞質和細胞核中的過度表達。這些發現提示CagA可引起β-聯蛋白的異常表達，并且可引發胃部腫瘤。

早先觀察證明，胃上皮細胞感染敲除CagA的H.pylori后仍保持分泌IL-8的能力，故并沒有建立CagA與介導分泌炎癥因子(如IL-8)的觀念。研究發現，CagA可以不依賴SHP-2和c-Met，而是通過Ras/Raf/Mek/Erk/NF-κB信號旁路引起IL-8的釋放。這些發現提出了尚未被證實的觀點，即可激活Ras/Erk旁路的CagA-Grb-2相互作用可能是CagA引起NF-κB刺激的一個上游事件[29]。CagA明確參與NF-κB/IL-8激活旁路表示了其在慢性胃黏膜炎癥、癌前病變及胃癌中的直接作用[30]。

3 CagA及其亞型多樣性與胃癌

H.pylori基因組在不同的分離株中顯示出高度的遺傳多樣性。臨床上H.pylori菌株大體分為cagA陽性菌株和cagA陰性菌株。分子流行病學調查顯示cagA陽性的H.pylori菌株較cagA陰性菌株能引起更為嚴重的胃黏膜炎癥和消化道潰瘍，并且增加胃癌的患病風險，在H.pylori感染的胃癌患者胃組織標本中，更易擴增出EPIYA-D基序，亦有調查顯示東亞型中ABD亞型提高了患胃癌的風險[31]。動物和細胞模型實驗也提示CagA在H.pylori感染及胃癌的關系中起著不可小覷的作用[32-33]。有研究發現，沙鼠感染缺失cagA的菌株，其引起胃部炎癥及胃潰瘍的概率明顯少于野生型H.pylori的感染。已建立的cagA轉基因小鼠模型也證明了CagA可引起胃及小腸的增生與腺癌樣變。

從東亞國家如日本、韓國和中國分離出的H.pylori菌株中90% ～ 95%攜帶cagA基因。而西方國家(如美國)和非洲國家分離出的H.pylori菌株中僅有60%攜帶cagA基因。東亞型和西方型CagA蛋白磷酸化位點的差異性可能是東亞國家胃癌發生率高于西方國家的部分原因。在西方型中，胃病的嚴重程度通常與EPIYA-C的個數呈正相關，而在東亞型中則無此規律[34]。含有EPIYA-D基序的H.pylori菌株相對于EPIYA-C型的西方型菌株有更顯著分泌高水平IL-8的能力，提示東亞型CagA較西方型CagA更易引起胃病的發展及胃癌的發生。

4 結語

中國是胃癌高發國家，每年新發病例占全球的40%，死亡病例占全球35%，發病率和死亡率均是世界平均水平的兩倍多。H.pylori感染與胃癌的關系已被廣泛深入研究，揭示H.pylori編碼的CagA引起胃癌的分子機制對疾病研究有重大意義，闡明由CagA在機體內參與病理活動的機制及不同CagA亞型與胃病程度的關系，有助于對臨床預防和治療H.pylori感染及胃癌提供新的思路。

1 Ding SZ， Zheng PY. Helicobacter pylori infection induced gastric cancer； advance in gastric stem cell research and the remaining challenges［J］. Gut Pathog， 2012， 4（1）：18.

2 Ferlay J， Shin HR， Bray F， et al. Estimates of worldwide burden of cancer in 2008： GLOBOCAN 2008［J］. Int J Cancer， 2010， 127（12）：2893-2917.

3 Malnick SD， Melzer E， Attali M， et al. Helicobacter pylori： friend or foe?［J］. World J Gastroenterol， 2014， 20（27）：8979-8985.

4 孫永剛， 唐子美， 譚緒云， 等. 30例Barrett食管內鏡下特點及與幽門螺桿菌感染的關系［J］. 解放軍醫學院學報， 2014， 35（2）：131-133.

5 Shiota S， Suzuki R， Yamaoka Y. The significance of virulence factors in Helicobacter pylori［J］. J Dig Dis， 2013， 14（7）：341-349.

6 Yamaoka Y. Mechanisms of disease： Helicobacter pylori virulence factors［J］. Nat Rev Gastroenterol Hepatol， 2010， 7（11）：629-641.

7 Shim JH， Yoon JH， Choi SS， et al. The effect of Helicobacter pylori CagA on the HER-2 copy number and expression in gastric cancer［J］. Gene， 2014， 546（2）：288-296.

8 Hatakeyama M. Anthropological and clinical implications for the structural diversity of the Helicobacter pylori CagA oncoprotein［J］. Cancer Sci， 2011， 102（1）：36-43.

9 Mueller D， Tegtmeyer N， Brandt S， et al. c-Src and c-Abl kinases control hierarchic phosphorylation and function of the CagA effector protein in Western and East Asian Helicobacter pylori strains［J］. J Clin Invest， 2012， 122（4）：1553-1566.

10 Tan S， Noto JM， Romero-Gallo J， et al. Helicobacter pylori perturbs iron trafficking in the epithelium to grow on the cell surface［J］. PLoS Pathog， 2011， 7（5）：e1002050.

11 Kersulyte D， Kalia A， Gilman RH， et al. Helicobacter pylori from Peruvian amerindians： traces of human migrations in strains from remote Amazon， and genome sequence of an Amerind strain［J］. PLoS One， 2010， 5（11）：e15076.

12 Duncan SS， Valk PL， Shaffer CL， et al. J-Western forms of Helicobacter pylori cagA constitute a distinct phylogenetic group with a widespread geographic distribution［J］. J Bacteriol， 2012， 194（6）：1593-1604.

13 Cover TL， Dooley CP， Blaser MJ. Characterization of and human serologic response to proteins in Helicobacter pylori broth culture supernatants with vacuolizing cytotoxin activity［J］. Infect Immun，1990， 58（3）：603-610.

14 牛磊， 郗洪慶， 陳凜. Lgr5-Wnt/β-catenin 信號通路與胃癌干細胞的研究進展［J］. 解放軍醫學院學報， 2014， 35（12）： 1268-1272.

15 Lee IO， Kim JH， Choi YJ， et al. Helicobacter pylori CagA phosphorylation status determines the gp130-activated SHP2/ERK and JAK/STAT signal transduction pathways in gastric epithelial cells［J］. J Biol Chem， 2010， 285（21）：16042-16050.

16 Matsunari O， Shiota S， Suzuki R， et al. Association between Helicobacter pylori virulence factors and gastroduodenal diseases in Okinawa， Japan［J］. J Clin Microbiol， 2012， 50（3）：876-883.

17 Suzuki M， Kiga K， Kersulyte D， et al. Attenuated CagA oncoprotein in Helicobacter pylori from Amerindians in Peruvian Amazon［J］. J Biol Chem， 2011， 286（34）：29964-29972.

18 Hayashi T， Morohashi H， Hatakeyama M. Bacterial EPIYA effectors--where do they come from? What are they? Where are they going?［J］. Cell Microbiol， 2013， 15（3）：377-385.

19 Tegtmeyer N， Backert S. Role of Abl and Src family kinases in actincytoskeletal rearrangements induced by the Helicobacter pylori CagA protein［J］. Eur J Cell Biol， 2011， 90（11）：880-890.

20 Safari F， Murata-Kamiya N， Saito Y， et al. Mammalian Pragmin regulates Src family kinases via the Glu-Pro-Ile-Tyr-Ala （EPIYA）motif that is exploited by bacterial effectors［J］. Proc Natl Acad Sci U S A， 2011， 108（36）：14938-14943.

21 Nagase L， Murata-Kamiya N， Hatakeyama M. Potentiation of Helicobacter pylori CagA protein virulence through homodimerization［J］. J Biol Chem， 2011， 286（38）：33622-33631.

22 Ying GX， Wen Sheng LI， Xia ZL， et al. CagA+ H. pylori filtrate induces cytokine IL-8 secretion by esophageal squamous carcinoma EC 109 cells via a p38 pathway［J］. Indian J Pathol Microbiol，2014， 57（1）：13-18.

23 Deng N， Goh LK， Wang H， et al. A comprehensive survey of genomic alterations in gastric cancer reveals systematic patterns of molecular exclusivity and co-occurrence among distinct therapeutic targets［J］. Gut， 2012， 61（5）：673-684.

24 Hatakeyama M. Helicobacter pylori CagA and gastric cancer： a paradigm for hit-and-run carcinogenesis［J］. Cell Host Microbe，2014， 15（3）：306-316.

25 Takahashi A， Tsutsumi R， Kikuchi I， et al. SHP2 tyrosine phosphatase converts parafibromin/Cdc73 from a tumor suppressor to an oncogenic driver［J］. Mol Cell， 2011， 43（1）：45-56.

26 Tsutsumi R， Masoudi M， Takahashi A， et al. YAP and TAZ， Hippo signaling targets， act as a rheostat for nuclear SHP2 function［J］. Dev Cell， 2013， 26（6）：658-665.

27 Neal JT， Peterson TS， Kent ML， et al. H. pylori virulence factor CagA increases intestinal cell proliferation by Wnt pathway activation in a transgenic zebrafish model［J］. Dis Model Mech， 2013， 6（3）：802-810.

28 Saito-Diaz K， Chen TW， Wang X， et al. The way Wnt works：components and mechanism［J］. Growth Factors， 2013， 31（1）：1-31.

29 O'Gorman A， Colleran A， Ryan A， et al. Regulation of NF-kappaB responses by epigenetic suppression of IkappaBalpha expression in HCT116 intestinal epithelial cells［J］. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol， 2010， 299（1）：G96-G105.

30 Lee KE， Khoi PN， Xia Y， et al. Helicobacter pylori and interleukin-8 in gastric cancer［J］. World J Gastroenterol， 2013， 19（45）：8192-8202.

31 Jones KR， Joo YM， Jang S， et al. Polymorphism in the CagA EPIYA motif impacts development of gastric cancer［J］. J Clin Microbiol，2009， 47（4）：959-968.

32 Furth PA. Cancer prevention as biomodulation： targeting the initiating stimulus and secondary adaptations［J］. Ann N Y Acad Sci， 2012， 1271：1-9.

33 Niller HH， Wolf H， Minarovits J. Viral hit and run-oncogenesis：genetic and epigenetic scenarios［J］. Cancer Lett， 2011， 305（2）：200-217.

34 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.

Relationship between cytotoxin-associated gene A protein of H.pylori, its subtype diversity and gastric cancer

LIU Lu1, WANG Lin2, LIU Chunjie1
1Institute of Biology Engineering;2The 307th Hospital of Chinese PLA Academy of Military Medical Sciences, Beijing 100071, China

LIU Chunjie. Email: liucj317@163.com

Gastric cancer is one of the most common gastrointestinal malignancies and it has close relationship with the infection of H.pylori. The cytotoxin-associated gene A (CagA) of H.pylori has become a research hotspot for the study of the pathogenesis of gastric cancer. This study summarizes the pathological activities and its possible role in the occurrence of gastric cancer and discusses the relationship between CagA and gastric cancer.

Helicobacter pylori; CagA; gastric cancer

R 377；R 735.2

A

2095-5227(2015)06-0618-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.06.026

時間：2015-03-25 09:49

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150325.0949.001.html

2015-01-07

國家級新藥創制重大專項(2012ZX09301003-001-005) Supported by “Major Country to Create a Special New Drugs”S&T Major Project (2012ZX09301003-001-005)

劉鹿，女，碩士。研究方向：微生物致病機制及免疫預防。Email: deer_3016@163.com

劉純杰，男，博士，研究員，出站博士后，博士生導師。Email: liucj317@163.com