幽門螺桿菌多態性與胃癌發生的風險的相關性研究

孔玲玲, 董全江, 田字彬

青島大學附屬醫院消化內科，山東 青島 266003

幽門螺桿菌多態性與胃癌發生的風險的相關性研究

孔玲玲, 董全江, 田字彬

青島大學附屬醫院消化內科，山東 青島 266003

幽門螺桿菌(Helicobacter pylori,H.pylori)與胃癌的發生密切相關。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。基因組縮減可使細菌消耗更低的能量，需要較少的營養成分，這使東亞地區的H.pylori在增殖和生長方面優于其他地區。本文總結了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系，有利于深入理解H.pylori的致病機理，為臨床預防和治療提供理論依據。

幽門螺桿菌;多態性;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。據統計表明，感染H.pylori后患胃癌的風險性是非感染者的10倍[1]，國際癌癥研究協會將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，美國科學家首次將泛基因組(pan-genome)的概念引入細菌的研究中，指出細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相關的胃癌發病率明顯低于H.pylori感染率，這引起了眾多學者對H.pylori基因組遺傳多樣性與胃癌關系的廣泛關注。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系，有利于深入理解H.pylori的致病機理，為臨床預防和治療提供理論依據。

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，分泌外膜蛋白，并將蛋白輸送至細胞外。

1999年，J99完成測序[4]。與26695相比，J99有較小的環狀染色體結構，大小約1 643 831 bp，但在基因組結構、基因序列和預測蛋白方面，與26695菌株非常相似。在J99中，預測的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，將CagA轉運至胃黏膜上皮細胞，發生炎癥反應。

2006年，HpAG1完成測序[5]。基因組序列與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，已預測出1 536個ORF，其中僅有43個基因存在于HpAG1中。分析發現共同存在于26695和J99中的29個基因在HpAG1中已經丟失。

近期，G27完成測序[6]。這一菌株有自然變形的特性，可以將CagA轉運至胃黏膜上皮細胞，并能應對宿主體內多種環境變化。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域，預測有58個基因存在于G27中，但在26695、J99、HpAG1中并未發現。

2 H.pylori基因組縮減機制

對基因組比較分析發現，基因組縮減主要發生于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，從而導致H.pylori基因組發生了改變。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。基因組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制或基因水平轉移[7]。基因的丟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。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致東亞地區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[10]。突變是導致GC含量降低的主要原因，突變和重組常常發生于細菌進化中[11]。研究發現，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。基因組縮減可使細菌消耗較低的能量維持DNA結構和重組[12]，不需要較高的營養成分，使其在細菌增殖和生長方面明顯優于其他亞群。東亞地區H.pylori感染率明顯高于其他地區，這與東亞地區H.pylori的基因組最小有關，但其致癌性是否與其他原因有關，如宿主、樣本量、研究方法等，我們仍需做大量相關實驗以進一步證實，另外基因組縮減是否與胃癌的發生率呈正相關，也需進一步驗證。

3 H.pylori多態性與胃癌的關系

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，為了更準確地表述菌株的全部遺傳信息和生物學特性，2005年，美國科學家首次提出了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，發現基因組差異主要集中在外膜蛋白和核心代謝相關基因的不同[14]。與西方地區菌株相比，東亞地區菌株缺少上述兩種基因。H.pylori中共有12個與鉬代謝相關的基因，包括鉬轉運蛋白、輔助因子合成蛋白及含鉬系酶。東亞地區菌株中鉬相關基因大量丟失，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，編碼這些蛋白的數量趨于降低。

H.pylori通過其特有的Ⅳ型分泌系統將CagA蛋白注入宿主細胞內，經位于宿主細胞質膜的酪氨酸激酶c-Src和Lyn將其羧基末端Glu-Pro-Ile-Ala(EPIYA)重復序列中的酪氨酸磷酸化，然后與SHP2結合，激活SHP2的活性，從而引發細胞內信號轉導，引起肌動蛋白聚合及細胞骨架重排，從而導致細胞發生“蜂鳥”樣改變[15]。由此可見CagA陽性菌株在胃癌的發生中發揮著至關重要的作用。一項研究[16]對比了分別來自東亞地區和歐洲地區的strain98-10和strainB128的基因表達。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H.pylori的一個重要特點[17]。空泡毒素A(vacuolatingcytotoxin A,vacA)是另一個H.pylori體內與胃癌有重要關系的細胞毒素成分。編碼 vacA 蛋白的基因有 4個結構域,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strain98-10的肉湯培養基表層物質可使Hela細胞發生空泡變性，進一步說明該菌株存在有活性的vacA，而東亞地區的菌株大多存在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的數目與胃癌的發病率呈明顯正相關。strainB128存在s1/m2類型的vacA等位基因，培養strainB128的肉湯培養基表層也未使Hela細胞發生空泡變性。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生的風險，表明東亞地區的H.pylori基因表型更利于胃癌的發生。此外，也有學者認為EPIYA多態性與胃癌發生無相關性[20-21]，具體原因及相關分子生物學機制需進一步研究證實。

4 H.pylori群體差異與胃癌的關系

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致胃癌發生的重要原因。這一結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生率相似，均遠低于中國人種。從H.pylori菌株的祖先起源分析發現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的海岸地區居民的胃癌發生率進行比較，提示這兩個地區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生率極高(150/100 000人每年)，而海岸地區的居民胃癌發生率較低(6/100 000人每年)。研究發現，所有分離自安第斯山地區居民的H.pylori菌株屬于HpEurope，而海岸地區居民分離出的菌株主要是HpAfrica1。進一步研究表明，安第斯山地區分離的菌株會引起更嚴重的黏膜炎癥和上皮細胞的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胃癌的發生率與H.pylori群體差異有關，不同亞群的H.pylori的致癌性不同。在未來的研究中，我們需要進一步研究其他細菌因素與胃癌發生的關系，便于提出新的預防措施和治療方案。

5 總結和展望

隨著高通量測序的迅速發展和pan-genome概念的問世，人們發現，各菌株基因組之間存在豐富的遺傳多樣性，每一菌株都有區別于其他菌株的特異性基因表型，東亞地區的H.pylori基因表型促進胃癌的發生。目前盡管對H.pylori菌株進行了大量實驗研究，但其多態性與胃癌的關系仍存在廣泛爭議，仍需做進一步研究，便于為胃癌的預防、評估和治療提出新的思路。

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(責任編輯：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病機制。E-mail：18354279019@163.com

田字彬，醫學博士，教授，主任醫師，研究方向：幽門螺桿菌與胃癌發病機制，胰腺炎、胰腺癌的診治與營養支持。E-mail：tianzb@qdumh.qd.sd.cn

735.2

A

1006-5709(2016)11-1214-03

2016-04-19