血红素氧合酶在幽门螺杆菌定植黏附中的作用研究进展

马红英，周海燕，沙建平

·综述与讲座·

血红素氧合酶在幽门螺杆菌定植黏附中的作用研究进展

马红英，周海燕，沙建平

幽门螺杆菌;血红素氧合酶;定植

幽门螺杆菌(Helicobacter pylori，H.pylori)为一种定植于胃黏膜的革兰阴性微需氧菌，其感染呈慢性趋势，是慢性胃炎、胃十二指肠溃疡的重要致病因素，并与胃黏膜相关淋巴组织(MALT)淋巴瘤和胃癌密切相关，世界卫生组织更是将其列为一类致癌因子［1］，在发展中国家感染率可达70%以上，中国人群感染H.pylori的人数约有6亿。H.pylori的高感染率使其对人类健康构成严重危害，但其在胃内复杂环境下黏附定植的机制仍不很清楚，阐明其定植机制对有效预防和治疗H.pylori感染具有重要的指导意义。

1 病原微生物的黏附定植是H.pylori感染致病的重要前提

H.pylori能够在极低pH值、众多胃蛋白酶等不利因素下成功定植，病原微生物的黏附定植是其感染致病的重要前提，其铁代谢相关蛋白发挥至关重要的作用。最新研究发现，维持胃黏膜中金属离子的动态平衡是H.pylori能够在复杂环境中黏附定植的必备条件之一。大量动物实验显示，多种与铁、铜、镍等金属离子代谢相关的蛋白成分都与H.pylori的定植感染密切相关［2-5］，其中与铁代谢相关的蛋白在H.pylori的最终黏附定植中扮演着更为重要的角色。Koga等［6］发现，当增加食物中铁离子含量时，H.pylori在小型猪胃黏膜的定植率明显提高。Waidner等［7］在敲除H.pylori铁蛋白基因pfr后，发现该敲除株难以在蒙古沙鼠胃黏膜定植。Gancz等［8］的研究表明，H.pylori的铁吸收调节蛋白(ferric uptake regulator，Fur)与H.pylori在胃内的成功定植密切相关，Fur突变株的定植率可较野生株降低100倍，因为其是H.pylori铁代谢中的主要调节因子，在铁摄取、利用、储存过程中都发挥着重要的调节作用。由此可见，H.pylori的铁代谢相关蛋白在其黏附定植中是至关重要的，其代谢机制也是研究的重点，但其中许多关键问题并未完全阐明。

2 未知功能蛋白HP0318(HugZ)与血红素氧合酶(hem in oxygenase，HO)的关系

在H.pylori血红素铁代谢途径中起关键作用的HO一直未发现，而笔者的前期研究证实，H.pylori中的HugZ具有HO的功能，并与 H.pylori的适应性定植密切相关，推测HugZ即为H.pylori的血红素氧合酶。

HO作为血红素代谢过程中的限速酶，其降解血红素释放出的铁是细菌的主要铁源之一［9］。目前在多种革兰阴性致病菌中都发现了HO，如空肠弯曲菌、鼠疫耶尔森菌、脑膜炎奈瑟氏菌、志贺(氏)菌、霍乱弧菌及白喉杆菌等，其在细菌的黏附定植中都发挥着不可替代的作用［10-11］。有研究发现，在敲除白喉杆菌和脑膜炎奈瑟氏菌中的HO编码基因后，细菌难以在宿主体内生存定植［12-13］。而最近对与H.pylori感染类似的革兰阴性微需氧菌空肠弯曲菌的研究也发现，铁的获取是其在宿主肠道内定植及持续感染的重要条件之一，其中高保守的血红素氧合酶cj1613c发挥着关键的作用［14］。早期研究发现，H.pylori基因组中包含与其他细菌血红素铁摄取利用系统同源的基因位点，推测H.pylori同样具有HO功能的相关蛋白，但至今仍未发现。

郭刚等［15］通过蛋白组学二维电泳技术，比较临床分离的1株幽门螺杆菌在蒙古沙土鼠体内从原代(M0)到稳定传代(M13)细菌的蛋白组学变化，发现有若干蛋白改变，HugZ就是其中之一，并且该蛋白与H.pylori在沙鼠中的适应性定植密切相关，其突变株在胃内的定植密度较原始株减少约5倍。为了验证HugZ的具体功能，阐明其与H.pylori黏附定植的关系，之后笔者又进行了一系列体外生物化学实验，发现该蛋白可与血红素结合并催化其降解为胆绿素，释放出CO和铁。同时，通过微生物基因组学比较，发现HugZ基因与在空肠弯曲菌中发现的cj1613c有62.7%的同源性。因此，推测 HugZ即为在 H.pylori铁代谢中发挥重要作用的HO。

3 HugZ蛋白的结构与生物学功能

解析HugZ与血红素结合的复合物(HugZ-Hemin)的晶体结构，可进一步确定HugZ的生物学功能，分析其血红素结合位点及催化活性位点，为阐明其在H.pylori黏附定植中的作用提供有力证据。

目前，真核生物中的HO已较明确，细菌中的HO虽然具有同样的催化功能，但其具体的空间结构及作用机制各不相同，因为不同的细菌面对的是不一样的生存环境。已有研究发现［16］，铜绿假单胞菌、白喉杆菌和脑膜炎奈瑟氏菌的HO与人类HO结构相似，鼠疫耶尔森菌及金黄色葡萄球菌的HO晶体结构却完全不同。作为在胃黏膜这一特殊环境中定植的HO，HugZ极可能有自己独特的空间构象及作用机制。研究HugZ与HugZ-Hemin的三维结构，有助于明确其功能，从而进一步探讨其在H.pylori黏附定植中的作用。目前国内外尚未见关于H.pylori中HO的研究报道，笔者查找了酶学方面研究的资料，并结合HugZ晶体结构的信息，探讨这个蛋白可能的血红素结合位点及催化活性位点，在此基础上进一步研究和解释其生物学功能。同时，笔者认为通过定点突变及基因敲除等手段构建突变体，以体外生物化学实验验证其血红素结合能力及催化活性，在动物实验中探讨HugZ与H.pylori黏附定植的关系，可以进而研究其在H.pylori定植中的具体作用。

［1］ Huang CH，Chiou SH.Clinical proteomics identifes potential biomarkers in Helicobacter pylori for gastrointestinal diseases［J］.World JGastroenterol，2014，20(6):1529-1536.

［2］ Xiao D，Zhang H，He LH，et al.High natural variability bacteria identification and typing:Helicobacter pylori analysis based on peptidemass fingerprinting［J］.JProt，2014，98:112-122.

［3］ Panthel K，Dietz P，Haas R，etal.Two-component systems of Helicobacter pylori contribute to virulencemouse infectionmodel［J］.Infect Immun，2003，71(9):5381-5385.

［4］ Waidner B，Melchers K，Stähler FN，etal.The Helicobacter pylori CrdRS two-component regulation system(HP1364/HP1365)is required for copper-mediated induction of the copper resistance determinant CrdA［J］.JBacteriol，2005，187(13):4683-4688.

［5］ Stähler FN，Odenbreit S，Haas R，et al.The novel Helicobacter pylori CznABCmetal efflux pump is required for cadmium，zinc，and nickel resistance，ureasemodulation，and gastric colonization.［J］.Infect Immun，2006，74(7):3845-3852.

［6］ Koga T，Shimada Y，Sato K，et al.Contribution of ferrous iron to maintenance of the gastric colonization of Helicobacter pylori in miniature pigs［J］.Microbiol Res，2002，157(4):323-330.

［7］ Waidner B，Greiner S，Odenbreit S，etal.Essential role of ferritin Pfr in Helicobacter pylori iron metabolism and gastric colonization［J］.Infect Immun，2002，70(7):3923-3929.

［8］ Gancz H，Censini S，Merrell DS.Iron and pH homeostasis intersect at the level of Fur regulation in the gastric pathogen Helicobacter pylori［J］.Infect Immun，2006，74(1):602-614.

［9］ Wilks A，Burkhard KA.Heme and virulence:how bacterial pathogens regulate，transportand utilize heme［J］.Nat Prod Rep，2007 24(3):511-522

［10］ Schmitt MP.Utilization of host iron sources by corynebacterium diphtheriae:identification of a gene whose product is homologous to eukaryotic heme oxygenases and is required for acquisition of iron from heme and hemoglobi［J］.J Bacteriol，1997，179(3): 838-845.

［11］Ratliff M，Zhu W，Deshmukh R，et al.Homologues of neisserial heme oxygenase in gram-negative bacteria:degradation of heme by the product of the pigA gene of pseudomonas aeruginosa［J］.J Bacteriol，2001，183(21):6394-6403.

［12］Kunkle CA，Schmitt MP.Comparative analysis of hmuO function and expression in corynebacterium species［J］.JBacteriol，2007，189(9):3650-3654.

［13］Zhu W，Wilks A，Stojiljkovic I.Degradation of heme in gram-negative bacteria:the productof the hemO gene ofneisseriae is a heme oxygenase［J］.JBacteriol，2000，182(23):6783-6790.

［14］Ridley KA，Rock JD，Li Y，et al.Heme utilization in campylobacter jejuni［J］.JBacteriol，2006，188(22):7862-7875.

［15］郭刚，童文德，曾浩，等.幽门螺杆菌适应性定植蒙古沙鼠前、后的蛋白质组学研究［J］.微生物学报，2007，47(3): 461-464.

［16］Unno M，Matsui T，Ikeda-Saito M，et al.Structure and catalytic mechanism of heme oxygenase［J］.Nat Prod Rep，2007，24(3): 553-570.

R517.9

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2014.05.036

2014-03-27)

(本文编辑:施 莼)

200081 上海，解放军第四一一医院门诊部(马红英、周海燕);解放军第四二一医院消化科(沙建平)

沙建平，电子信箱:shajianping99@sina.com