幽门螺旋杆菌CagA 以及VacA 致病机制的研究进展

杨慧君，王学红

（1.青海大学，青海 西宁810000；2.青海大学附属医院消化内科，青海 西宁810000）

0 引言

幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori,H.pylori，HP) 是一种革兰氏阴性微厌氧菌，寄生在人的胃内，粘附于胃粘膜及细胞间隙，是最常见的定值细菌之一，世界上大约有一半的人感染此菌[1]。H.pylori 是目前最明确的胃癌发生危险因素。H.pylori相关性胃病除胃环境因素和宿主遗传因素共同作用外，其毒力因子也发挥着举足轻重的作用。幽门螺杆菌可表达多种毒力因子，如细胞毒素相关基因A(CagA)、空泡毒素A(VacA)等重要的毒力基因是幽门螺杆菌向宿主致病所必需的。我国幽门螺旋杆菌感染率虽高，但只有1-3%的人会发展成胃癌。这表明幽门螺杆菌性胃病的严重程度及临床转归可能与毒力因子的表达差异有关。这表明宿主的免疫反应与幽门螺杆菌毒力因子之间存在一种独特的相互作用方式[2]。本文就CagA、VacA 的分子结构及其在致病性中的作用做一综述。

1 CagA-致病岛 (CagPAI)的分子结构

细胞毒素相关基因致病岛（CagPAI）是一个40kb 的基因簇，由31 个开放阅读框组成，编码一个多组分的细菌IV 型分泌系统（T4SS）和效应蛋白空泡细胞毒素CagA,T4SS 形成一个注射器样的结构，与宿主上皮接触，并将效应蛋白CagA 和肽聚糖转移到上皮细胞中[3]。H.pylori 最重要的毒力因子之一是完整的CagPAI，并不是所有的幽门螺杆菌菌株都含有完整的CagPAI。Ahmadzadeh 等[4]研究证明，不同幽门螺杆菌亚群中CagPAI 阳性菌株的流行率不同，在日本，57.1%的幽门螺杆菌菌株具有完整的CagPAI，而从秘鲁和印度分离的菌株分别只有18.1% 和12% 具有完整的CagPAI。与CagPAI中某些基因缺失的H.pylori 相比，H.pylori 中完整CagPAI 的存在与严重胃病相关。CagPAI 可分为CagI 和CagII 两部分，由IS601 插入序列分开。IS601 的存在被证明与胃癌的高风险相关[5]。CagPAI 在H.pylori 的毒力中是必不可少的，因为这类基因编码IV 型分泌系统（T4SS）和刺激白细胞介素8（IL-8）分泌的因子。CagPAI 上共有17 个基因参与了T4SS 的形成，另外14 个基因参与了IL-8 的分泌，T4SS将CagA 注射到细胞中而致病[6]。研究[7]指出幽门螺杆菌CagPAI 以CagA 和CagE 依赖的方式在Lrig1（富含亮氨酸重复序列和Ig 样结构域）表达中发生作用。Lrig1 是一种跨膜蛋白，可作为肠干细胞标记物。研究表明，胃窦和胃体癌前病变中的Lrig1 阳性细胞较正常粘膜和胃粘膜明显增多，这表明这些细胞可能促进幽门螺杆菌造成胃内的损伤和致癌作用。

2 CagA 的分子结构及其致病机制

2.1 分子结构

CagA 它是由具有高毒力的CagPAI 的幽门螺杆菌菌株表达的，而在低毒力的CagPAI 阴性菌株中则不表达[8]。CagA由一个结构化的N-末端和一个非结构化的C-末端组成。CagA 的N-末端占整个CagA 的70%，它包括三个结构域：结构域I、结构域II 和结构域III。CagA 分子量的变化是由于其C-末端区域的结构多态性所致，这些结构多态性存在于不同的幽门螺杆菌菌株中。CagA 的N 端约占整个CagA 的70%，还包括三个结构域：结构域I、结构域II 和结构域。CagA 的分子量变化是由于其C 末端区域的结构多态性所致，这些结构多态性存在于不同的幽门螺杆菌菌株中[9]。CagA 通过宿主酪氨酸激酶特异性地在C 端多态区域的Glu-Pro-Ile-Tyr-Ala(EPIYA)基序上进行酪氨酸磷酸化。据EPIYA 基序两侧的序列，在CagA 蛋白中鉴定出4 个不同的EPIYA 片段：EPIYA-A、EPIYA-B、EPIYA-C 和EPIYA-D。东亚以外地区的幽门螺杆菌菌株含有CagA 蛋白，EPIYA 片段排列为EPIYA- A(32 个氨基酸)、EPIYA- B(40 个氨基酸)、EPIYA- C(34 个氨基酸)，故称为西方型CagA。在东亚国家发现的CagA 的EPIYA- 重复区域也含有EPIYA-A 和EPIYA-B片段，但不是串联的EPIYA-C 片段，而是一个独特的含有EPIYA 的片段，称为EPIYA-D(47 个氨基酸)，CagA 蛋白被称为东亚型CagA[10]。

2.2 CagA 的致病作用机制

幽门螺杆菌CagA 中的T4SS 中分离并分析了一个跨膜的核心复合体，它在胃癌的发病机制中起着重要的作用。细菌IV 型分泌系统具有输出或输入DNA 的功能，并能将效应蛋白运送到各个靶细胞中。我们发现这个复合物含有5 个H.pylori蛋白，即CagM，CagT，Cag3，CagX 和CagY，每个蛋白都是CagA T4SS 活性所必需的[11]。CagT 对于效应蛋白CagA 进入上皮细胞的转运至关重要，而其他如CagY 作为免疫敏感的分子调节剂，调节免疫反应以促进细菌的持久性并改变T4SS 的功能。最近的一项研究揭示了CagQ 在T4SS 中作为膜蛋白在维持CagA 表达和CagA 诱导的凋亡效应中的作用[12]。另一种T4SS 组分CagL 是由CagL 基因(HP0539)编码的组分，在幽门螺杆菌表面以T4SS 依赖的方式表达，并与含有整合素β1 的受体协同表达。尤其是整合素α5β1 是CagA 易位所必需的[13]。CagL 第76-78 位残基的三肽基序精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)以及邻近表面暴露的FEANE(苯丙氨酸-谷氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸)基序在T4SS 与整合素受体相互作用中是必不可少的，从而将CagA 转位到宿主细胞。CagL 与整合素的RGD 依赖性结合也被证明可以触发细胞内信号通路，诱导细胞前炎症反应，从而实现不依赖于重组蛋白的表达[14]。Román 等[15]研究发现，新的CagL 变异与慢性胃炎和消化性溃疡疾病(PUD)的发生有关。位于RGD基序上游第58-62 位氨基酸残基的特殊多态性称为CagL 高变基序(CagLHM)，与严重疾病的进展相关[16]。因此，CagL 缺失被证明在许多方面都能完全敲除CagPAI，因为它是T4SS的重要组成部分[17]。这一行为被认为是由于菌株不能在没有CagL 的情况下对宿主细胞接触做出反应而形成起作用的T4SS。最近的一项研究结果表明，H.pylori CagL 除了在CagA易位中起关键作用外，还可能通过转化生长因子(TGF)-α 激活的表皮生长因子受体(EGF-R)信号通路、H.pylori 诱导的蜂鸟现象(细胞的延长)以及T4SS 与其人类靶细胞的桥接而导致h.pylori 诱导的IL-8 表达[18]。

CagA 通过T4SS 进入胃上皮细胞。虽然幽门螺旋杆菌合成了大量的CagA，但相对较少的CagA 移位于宿主上皮细胞内。细胞内转位的CagA 水平也受自噬和泛素-蛋白酶体系统的调节，泛素-蛋白酶体系统降解转位的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-异亮氨酸-酪氨酸-丙氨酸)序列的类型和数量决定的[19]。CagA 的EPIYA 基序转位到宿主上皮细胞后，通过各种细胞激酶进行酪氨酸(Y)磷酸化。磷酸化的酪氨酸与Src 同源2 磷酸酶(SHP2) 或适配蛋白GrB2 相互作用，通过激活多种细胞信号通路，阻碍细胞间的粘附、细胞增殖、IL-8表达和细胞伸长[20]。李[19]等最近的一项研显示，在AGS 细胞中，CagA 刺激YAP 信号通路激活，导致胃癌的发生。与幽门螺杆菌阴性的患者相比，在感染幽门螺杆菌的慢性胃炎组织中，幽门螺杆菌感染可以增强YAP 的表达活性，同时抑制E-cadherin 的表达，这一体外实验也印证了这一结果。

与EPIYA-C 基序相比，EPIYA-D 基序的CagA 与SHP2的结合亲和力更强，因此，含有EPIYA-A、-B 和-D 基序的CagA 菌株被认为比含有EPIYA-A、-B 和-C 基序的CagA菌株更具毒性[21]。在最近的一项荟萃分析中，在亚洲，与一个EPIYA-C 基序相比，具有单一EPIYA-D 基序的CagA 与胃癌风险增加1.91 倍，而具有两个或更多EPIYA-C 基序的CagA 与亚洲国家和地区的PUD 的风险显著增加相关。在亚洲国家和地区，具有两个或更多EPIYA-C 基序(EPIYA-A、-B、-C、-C 或EPIYA-A、-B、-C、-C、-C)的CagA 与PUD 显著相关[22]。除了EPIYA 基序的类型外，在西方特异性EPIYA Bmotif-like EPIYT-B 内具有氨基酸多态性的菌株可能影响CagA 活性，降低诱导蜂鸟现象的能力和IL-8 的表达，从而降低十二指肠溃疡和胃癌发生的风险。研究[23]表明，分泌的H.pylori CagA 可诱导尾型同源盒1（CDX1）的表达，这是一种同源盒转录因子，在人类肠道发育和维持中发挥重要作用。CDX1 的激活促进细胞增殖、侵袭/迁移、胃上皮细胞的肠化和干细胞样表型的诱导，诱导肿瘤的发生和化疗的失败。最近另一项研究发现，幽门螺杆菌感染后，CagA 介导的热休克蛋白1（HSP1）表达下调。CagA 依赖的急性HSP1 抑制抑制宿主的免疫应答，因此幽门螺杆菌可能逃避免疫应答并增强感染的建立。

3 空泡细胞毒素（VacA）分子结构及致病机制

3.1 VacA 分子结构

VacA 基因编码的VacA 存在于所有H.pylori 菌株中。VacA 是一种重要的H.pylori 空泡细胞毒素，通过与胃上皮细胞的相互作用在致病性中发挥重要作用[24]。这种毒素能够在真核细胞中诱导空泡形成毒素，因此被命名为VacA。最初，VacA 形成为140 kDa 的前毒素，通过自身转运途径分泌。成熟的88kDa 分泌毒素经过蛋白水解产生两个片段：p33 和p55[25]。VacA 序列包括四个区域中的不同等位基因亚型，即信号（s）、中间（m）、中间（i）和缺失（d）区域。编码N-末端信号区域的“s”等位基因可出现为“s1”（亚型s1a、s1b 或s1c）和“s2”亚型，“m”等位基因出现为“m1”（亚型m1a 或m1b）或“m2”类型。第三个区域，中间（i）区域被确定在‘s’区域和‘m’区域之间，其分类为‘i1’、‘i2’或‘i3’类型。在“i”区域和“m”区域之间识别出第四个区域，即被划分为“d1”和“d2”的删除（d）区域[24]。

3.2 VacA 的致病机制

研究表明，三个区域不同序列的组合可以决定空泡形成的能力。同时，具有s1/m1 组合的基因型具有较高的空泡化活性，s1/m2基因型具有中等的空泡化活性。另一方面，基因型s2/m2没有显示出空泡形成活性[26]。这表明s2 基因型VacA 的空泡形成能力低于s1 基因型。与强疏水性的s1 区域相比，s2 区域在N-末端序列中含有额外的12 个氨基酸，是导致亲水性的主要原因，这很可能导致阴离子选择性通道形成和细胞空泡化的损伤。与s1 基因型相比，s2 基因型的VacA 从细胞质膜向周质空间的输出效率较低[27]，这也支持了较低的空泡形成活性。据报道，具有s1 序列的菌株比s2 型菌株分泌更多的VacA，这可能是由于VacA 转录升高所致[28]。因此，这些差异可能导致具有s1/m1 基因型VacA 的菌株具有较高的空泡形成活性。

临床分离出的溃疡患者的幽门螺杆菌中，与非溃疡性疾病患者相比，发现s1a、m1 和i1 基因型的VacA 患病率更高。在西方人群中进行的一项荟萃分析发现，如果个体感染了s1或m1 区域的H.pylori，则个体发生胃癌的风险增加[29]。在中亚和中东地区的研究中发现感染了携带幽门螺杆菌的vacA i1 型的患者有较高的胃癌发生风险[30]。针对VacA 的抗体与胃癌发生风险的增加相关[29]。Li[31]等人最近进行的一项荟萃分析观察到VacA 抗体与消化性溃疡疾病和胃癌风险之间的关系，这表明VacA 作为一种生物标志物在预测消化性溃疡疾病和胃癌风险方面具有重要作用。

VacA 蛋白是幽门螺杆菌的多功能毒力因子，在细胞致病性中发挥多种作用，对胃上皮细胞和免疫细胞均有影响，被认为是一种对宿主细胞产生空泡化、细胞坏死等多种作用的多功能毒素[32]。Ivie 等[33]研究发现如果生物活性形式的VacA毒素被内吞，它会形成膜通道，并从胃粘膜上皮细胞和细胞质空泡化中渗出营养物质如果VacA 结合到细胞表面，它会引发促炎反应，当VacA 通过紧密连接时，它调节T 细胞和B 细胞的激活和增殖，如果毒素被输送到线粒体，VagA 通过将会线粒体途径诱导胃上皮细胞凋亡。一项研究[34]阐述了另一种凋亡潜能，为VacA 触发内质网应激激活自噬和增加AGS细胞死亡提供了新的证据。研究发现，位于中间区域的148个氨基酸片段利用了VacA 的细胞结合特异性，而含有VacA的菌株在胃上皮细胞内对幽门螺旋杆菌的存活率最高。

4 结语与展望

综上所述，本文描述了幽门螺旋杆菌最主要的毒力因子在胃部致病严重程度中的重要性及发病机制，以更好地了解毒力因子在胃部疾病发生和进展中的作用。根除幽门螺杆菌仍然是预防胃癌的首要任务，然而并不是所有的幽门螺杆菌感染都会导致胃癌，并且对宿主产生有害影响的毒力因子已经被广泛研究。但是，一些毒力因子如何具有引起胃病的能力，而其他因子则没有，其确切机制尚待阐明。分子流行病学显示幽门螺杆菌毒力因子在不同地区和人群中分布具有明显的差异。H.pylori 在宿主免疫应答、种族和人群中发挥更大致病作用的能力，因其作用机制尚不清楚而备受关注。