幽門螺旋桿菌CagA 以及VacA 致病機制的研究進展

楊慧君，王學紅

（1.青海大學，青海 西寧810000；2.青海大學附屬醫院消化內科，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，粘附于胃粘膜及細胞間隙，是最常見的定值細菌之一，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生危險因素。H.pylori相關性胃病除胃環境因素和宿主遺傳因素共同作用外，其毒力因子也發揮著舉足輕重的作用。幽門螺桿菌可表達多種毒力因子，如細胞毒素相關基因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%的人會發展成胃癌。這表明幽門螺桿菌性胃病的嚴重程度及臨床轉歸可能與毒力因子的表達差異有關。這表明宿主的免疫反應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 的分子結構及其在致病性中的作用做一綜述。

1 CagA-致病島 (CagPAI)的分子結構

細胞毒素相關基因致病島（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菌IV 型分泌系統（T4SS）和效應蛋白空泡細胞毒素CagA,T4SS 形成一個注射器樣的結構，與宿主上皮接觸，并將效應蛋白CagA 和肽聚糖轉移到上皮細胞中[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 的存在與嚴重胃病相關。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險相關[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（T4SS）和刺激白細胞介素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（富含亮氨酸重復序列和Ig 樣結構域）表達中發生作用。Lrig1 是一種跨膜蛋白，可作為腸干細胞標記物。研究表明，胃竇和胃體癌前病變中的Lrig1 陽性細胞較正常粘膜和胃粘膜明顯增多，這表明這些細胞可能促進幽門螺桿菌造成胃內的損傷和致癌作用。

2 CagA 的分子結構及其致病機制

2.1 分子結構

CagA 它是由具有高毒力的CagPAI 的幽門螺桿菌菌株表達的，而在低毒力的CagPAI 陰性菌株中則不表達[8]。CagA由一個結構化的N-末端和一個非結構化的C-末端組成。CagA 的N-末端占整個CagA 的70%，它包括三個結構域：結構域I、結構域II 和結構域III。CagA 分子量的變化是由于其C-末端區域的結構多態性所致，這些結構多態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%，還包括三個結構域：結構域I、結構域II 和結構域。CagA 的分子量變化是由于其C 末端區域的結構多態性所致，這些結構多態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 端多態區域的Glu-Pro-Ile-Tyr-Ala(EPIYA)基序上進行酪氨酸磷酸化。據EPIYA 基序兩側的序列，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。在東亞國家發現的CagA 的EPIYA- 重復區域也含有EPIYA-A 和EPIYA-B片段，但不是串聯的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合體，它在胃癌的發病機制中起著重要的作用。細菌IV 型分泌系統具有輸出或輸入DNA 的功能，并能將效應蛋白運送到各個靶細胞中。我們發現這個復合物含有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 對于效應蛋白CagA 進入上皮細胞的轉運至關重要，而其他如CagY 作為免疫敏感的分子調節劑，調節免疫反應以促進細菌的持久性并改變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 表達和CagA 誘導的凋亡效應中的作用[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，并與含有整合素β1 的受體協同表達。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 轉位到宿主細胞。CagL 與整合素的RGD 依賴性結合也被證明可以觸發細胞內信號通路，誘導細胞前炎癥反應，從而實現不依賴于重組蛋白的表達[14]。Román 等[15]研究發現，新的CagL 變異與慢性胃炎和消化性潰瘍疾病(PUD)的發生有關。位于RGD基序上游第58-62 位氨基酸殘基的特殊多態性稱為CagL 高變基序(CagLHM)，與嚴重疾病的進展相關[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]。這一行為被認為是由于菌株不能在沒有CagL 的情況下對宿主細胞接觸做出反應而形成起作用的T4SS。最近的一項研究結果表明，H.pylori CagL 除了在CagA易位中起關鍵作用外，還可能通過轉化生長因子(TGF)-α 激活的表皮生長因子受體(EGF-R)信號通路、H.pylori 誘導的蜂鳥現象(細胞的延長)以及T4SS 與其人類靶細胞的橋接而導致h.pylori 誘導的IL-8 表達[18]。

CagA 通過T4SS 進入胃上皮細胞。雖然幽門螺旋桿菌合成了大量的CagA，但相對較少的CagA 移位于宿主上皮細胞內。細胞內轉位的CagA 水平也受自噬和泛素-蛋白酶體系統的調節，泛素-蛋白酶體系統降解轉位的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)序列的類型和數量決定的[19]。CagA 的EPIYA 基序轉位到宿主上皮細胞后，通過各種細胞激酶進行酪氨酸(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，通過激活多種細胞信號通路，阻礙細胞間的粘附、細胞增殖、IL-8表達和細胞伸長[20]。李[19]等最近的一項研顯示，在AGS 細胞中，CagA 刺激YAP 信號通路激活，導致胃癌的發生。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 的表達活性，同時抑制E-cadherin 的表達，這一體外實驗也印證了這一結果。

與EPIYA-C 基序相比，EPIYA-D 基序的CagA 與SHP2的結合親和力更強，因此，含有EPIYA-A、-B 和-D 基序的CagA 菌株被認為比含有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 與亞洲國家和地區的PUD 的風險顯著增加相關。在亞洲國家和地區，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[22]。除了EPIYA 基序的類型外，在西方特異性EPIYA Bmotif-like EPIYT-B 內具有氨基酸多態性的菌株可能影響CagA 活性，降低誘導蜂鳥現象的能力和IL-8 的表達，從而降低十二指腸潰瘍和胃癌發生的風險。研究[23]表明，分泌的H.pylori CagA 可誘導尾型同源盒1（CDX1）的表達，這是一種同源盒轉錄因子，在人類腸道發育和維持中發揮重要作用。CDX1 的激活促進細胞增殖、侵襲/遷移、胃上皮細胞的腸化和干細胞樣表型的誘導，誘導腫瘤的發生和化療的失敗。最近另一項研究發現，幽門螺桿菌感染后，CagA 介導的熱休克蛋白1（HSP1）表達下調。CagA 依賴的急性HSP1 抑制抑制宿主的免疫應答，因此幽門螺桿菌可能逃避免疫應答并增強感染的建立。

3 空泡細胞毒素（VacA）分子結構及致病機制

3.1 VacA 分子結構

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 空泡細胞毒素，通過與胃上皮細胞的相互作用在致病性中發揮重要作用[24]。這種毒素能夠在真核細胞中誘導空泡形成毒素，因此被命名為VacA。最初，VacA 形成為140 kDa 的前毒素，通過自身轉運途徑分泌。成熟的88kDa 分泌毒素經過蛋白水解產生兩個片段：p33 和p55[25]。VacA 序列包括四個區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）區域。編碼N-末端信號區域的“s”等位基因可出現為“s1”（亞型s1a、s1b 或s1c）和“s2”亞型，“m”等位基因出現為“m1”（亞型m1a 或m1b）或“m2”類型。第三個區域，中間（i）區域被確定在‘s’區域和‘m’區域之間，其分類為‘i1’、‘i2’或‘i3’類型。在“i”區域和“m”區域之間識別出第四個區域，即被劃分為“d1”和“d2”的刪除（d）區域[24]。

3.2 VacA 的致病機制

研究表明，三個區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 區域相比，s2 區域在N-末端序列中含有額外的12 個氨基酸，是導致親水性的主要原因，這很可能導致陰離子選擇性通道形成和細胞空泡化的損傷。與s1 基因型相比，s2 基因型的VacA 從細胞質膜向周質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 轉錄升高所致[28]。因此，這些差異可能導致具有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，發現s1a、m1 和i1 基因型的VacA 患病率更高。在西方人群中進行的一項薈萃分析發現，如果個體感染了s1或m1 區域的H.pylori，則個體發生胃癌的風險增加[29]。在中亞和中東地區的研究中發現感染了攜帶幽門螺桿菌的vacA i1 型的患者有較高的胃癌發生風險[30]。針對VacA 的抗體與胃癌發生風險的增加相關[29]。Li[31]等人最近進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險之間的關系，這表明VacA 作為一種生物標志物在預測消化性潰瘍疾病和胃癌風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，在細胞致病性中發揮多種作用，對胃上皮細胞和免疫細胞均有影響，被認為是一種對宿主細胞產生空泡化、細胞壞死等多種作用的多功能毒素[32]。Ivie 等[33]研究發現如果生物活性形式的VacA毒素被內吞，它會形成膜通道，并從胃粘膜上皮細胞和細胞質空泡化中滲出營養物質如果VacA 結合到細胞表面，它會引發促炎反應，當VacA 通過緊密連接時，它調節T 細胞和B 細胞的激活和增殖，如果毒素被輸送到線粒體，VagA 通過將會線粒體途徑誘導胃上皮細胞凋亡。一項研究[34]闡述了另一種凋亡潛能，為VacA 觸發內質網應激激活自噬和增加AGS細胞死亡提供了新的證據。研究發現，位于中間區域的148個氨基酸片段利用了VacA 的細胞結合特異性，而含有VacA的菌株在胃上皮細胞內對幽門螺旋桿菌的存活率最高。

4 結語與展望

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重程度中的重要性及發病機制，以更好地了解毒力因子在胃部疾病發生和進展中的作用。根除幽門螺桿菌仍然是預防胃癌的首要任務，然而并不是所有的幽門螺桿菌感染都會導致胃癌，并且對宿主產生有害影響的毒力因子已經被廣泛研究。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。分子流行病學顯示幽門螺桿菌毒力因子在不同地區和人群中分布具有明顯的差異。H.pylori 在宿主免疫應答、種族和人群中發揮更大致病作用的能力，因其作用機制尚不清楚而備受關注。