表觀遺傳調控對幽門螺桿菌陽性胃癌致病作用的研究進展

高 春,江晶晶,陳玉春,于曉輝,鄭曉鳳,張久聰

表觀遺傳學是一種由染色質的結構變化介導的體細胞可遺傳的基因表達模式或在不改變 DNA 序列的情況下發生的細胞表型。表觀遺傳修飾決定基因表達水平和時間,是響應內源性和外源性刺激的重要因素,涉及DNA修復、DNA復制和細胞分裂等[1]。表觀遺傳學研究為臨床治療提供了有效理論基礎,如通過恢復特定甲基化基因的功能以防止癌癥的發展[2]。近年來,致病菌抗生素耐藥成為了臨床難題,對與細菌抗微生物耐藥性的遺傳起源的研究主要集中在遺傳學上。細菌基因組的表觀遺傳修飾成為國內外學者的研究熱點[3]。本文就表觀遺傳學對幽門螺桿菌(Helicobacter pylori,Hp)陽性胃癌的影響及相互作用作一簡要綜述。

1 Hp致癌機制

研究表明,包括Hp在內的多數細菌為了更好地存活會對宿主進行表觀遺傳操作[4]。文獻[5,6]報道,在致病性大腸桿菌感染的小鼠分離的尿路上皮干細胞系中,發現了染色質可及性的差異、DNA甲基化和組蛋白修飾,提示該菌充當重新編程尿路上皮表觀遺傳基因組的誘導劑,進而導致尿路上皮內在重塑對后繼感染的先天反應。結核分枝桿菌細胞的生長需要伸長和分離之間的協調,分裂因子SepIVA甲基化位點的改變會影響宿主免疫應答[7]。單核細胞增生李斯特菌利用多種途徑同樣避免了調節宿主T細胞激活的清除[8]。Wnt、Hedgehog和Notch等信號通路常見于胚胎的發生和癌癥的發展中。在胎兒的形成過程中,胚胎發生細胞必須通過改變結構以到達它們的正確位置,這些細胞會經歷重要的上皮-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)。EMT表型包括遷移能力、侵襲性增強、抗凋亡性和E-chaterin的丟失[9]。一部分髓母細胞瘤患者攜帶SUFU基因突變,但該基因功能的缺失會通過上調Hedgehog和Wnt通路,進而導致細胞增殖失調[10]。了解癌癥如何利用這些信號通路產生抗治療耐藥,這可以進一步探索以研發新的治療方法。

Hp感染率已超過世界上50%的人口,感染可持續存在。85%感染者只患有輕微的胃炎,胃癌的發生率1%[11],文獻[12]報道,Hp的致病機制可能取決于細菌遺傳表達的毒力因子,這可能有利于或阻礙Hp逃避宿主免疫反應、建立定植及誘發疾病。而基因多樣性本身就是細菌逃避免疫識別的關鍵環節。Hp可以依賴多種策略逃避宿主免疫,并產生慢性炎癥和長期定植。Hp產生的脲酶可以提供NH3和CO2,這是中和胃的高酸性環境和允許細菌生存所必不可少的。NH3破壞了組織結構,CO2保護Hp免受吞噬細胞侵害,誘導血管生成和新血管形成,進而促進胃癌的發生[13]。

Cag致病性島(cag-pathogenicity island,cagPAI)包含32個編碼細菌IV型分泌系統(type IV secretion system,T4SS)和CagA蛋白的基因[14]。T4SS的作用是將CagA轉移到胃上皮細胞并激活致癌信號通路。Bai等[15]發現,表達cagPAI的Hp菌株與胃癌發生密切相關。體外研究表明,CagA可誘導AGS細胞發生胃癌,這一結果已在Hp感染的慢性胃炎組織中得到證實[16]?？张菁毎舅?vacuolating cytotoxin,VacA)是Hp的另一種高致病性的毒力基因,不同基因型具有不同程度的空泡活性?；蛐蛃1/m1具有較高的空泡活性;s1/m2具有中等空泡活性,s2/m2無空泡活性[17]。攜帶s1或m1表達VacA的Hp菌株感染的患者發生胃癌的風險增加。Li等[18]提出,VacA抗體與胃癌發生風險之間存在顯著關聯,可能作為預測胃癌風險的潛在生物標志物。綜上所述,該菌以高突變率(每年每個10-6個位點)和混合感染時發生反復重組為主要特征[19]。這些特性賦予Hp高度的遺傳多樣性,以至于幾乎每個感染者都攜帶一個獨特的菌株。

2 Hp基因表達的表觀遺傳調控

除了高突變率和重組外,Hp還進化出了相位變異,這為快速和可逆的基因表達開關機制提供了可能。相位變異一般是指編碼表面表達毒力基因的基因啟動子的串聯發生突變[20]。這些基因的隨機切換產生了表型多樣化的亞群,有利于細菌逃避宿主的免疫反應[21]。而相位變化與編碼表面結構的基因有關,包括Hp為主的細菌等具有與III型限制性修飾(R-M)系統相關的DNA甲基轉移酶基因(modH基因),這些基因保護細菌宿主免受外來DNA的入侵,而不影響重組和因此產生的等位基因替代[22,23]。Hp含有許多II型和III型R-M系統的發現表明,這些甲基轉移酶可能具有除防止外來DNA入侵以外的更多功能,這些功能之一被證明是通過表觀遺傳機制調節modH基因的表達而發揮作用。Hp modH基因有17個不同的等位基因,其中ModH3和ModH5常在臨床分離的細菌中檢測到[24]。在ModH5調控的基因中,有兩個在人類胃中定植所必需的編碼鞭毛(FlaA和Flik),還有一個逃避TLR5編碼外膜蛋白HopG的基因也受ModH5的控制。此外,由HopG蛋白介導的細菌黏附是Hp定殖胃上皮所必需的[25,26]。該蛋白也被認為是預防Hp感染的潛在疫苗[27,28]。每個Hp菌株都攜帶一套不同的R-M系統,甲基組差異很大[29],在97%菌株中,只有少數靶標被甲基化[30]。

表觀遺傳學有助于胃癌進展,排除了與胃癌相關的表觀遺傳學標記物的檢測后發現,盡管基因突變改變了DNA序列,但甲基化的存在可使DNA序列保持不變。這種差異為識別與胃癌相關的表觀遺傳標記提供了線索,對早期診斷和研發抗胃癌新療法意義重大。Forkhead box(Fox)基因是調控代謝、細胞分化、細胞增殖和凋亡的轉錄調控因子。Fox基因FOXO3的啟動子是Hp感染小鼠和Hp感染患者的人類胃黏膜樣本中唯一顯示甲基化增加的區域[31]。McLaughlin-Drubin等[32]發現,FOXD3一旦被激活可以促進腫瘤細胞凋亡,抑制Hp感染小鼠胃癌細胞增殖,進而減緩腫瘤生長。其他Hp感染小鼠模型、人類胃癌活檢和細胞研究數據也同樣表明,FOXD3是一個被Hp甲基化的腫瘤抑制基因,并建立了FOXD3啟動子被Hp甲基化作為早期表觀遺傳標記[33]。

文獻[34]報道,一些Hp毒力因子可促進胃癌的發展,如CagPAI將CagA和細菌DNA轉移到宿主細胞內。CagA是一種癌蛋白,可激活與癌變相關的多種因子并與之相互作用[35]。CagA的活性通過Hp誘導的炎癥和與VacA的相互作用而增強[36]。此外,在合并EB病毒感染的胃上皮細胞中,CagA+Hp菌株受益于CagA和胃微生物群的致癌活性[37]。CagA是Hp啟動癌變至關重要因素之一,但胃癌病理改變發生后,Hp就不再是必要因素,這就是發生癌變的逃逸模型,即一種感染因子在感染后不久就會誘發癌變,并且在它的存在不再是必要的時候就會直接誘發癌變。表達VacA和CagA的Hp菌株具有高毒力,可引起特別嚴重的胃部疾病,但目前尚不清楚這些因素是否與表觀遺傳學有關。

3 根除Hp影響表觀遺傳學和胃癌

VacA和CagA改變了胃上皮細胞的多條通路。慢性炎癥和線粒體損傷,以及Hp感染相關的活性氧(reactive oxygen species,ROS)和一氧化氮(nitric oxide,NO)誘導胃黏膜的異常表觀遺傳改變,均是胃癌發生的主要原因[38-40]。事實上,在胃癌和Hp感染患者的癌前病變中發現的基因CDKN2A、CDH1和RUNX3使腫瘤抑癌基因失活。動物實驗表明,抑制異常DNA甲基化通?？梢苑乐刮赴┑倪M展。遺傳因素也有助于胃癌的發生。與胃癌相關的突變已在基因TP53、CDH1、ARIDIA和RHOA中被發現[41,42]。然而,突變占所有胃癌病例的15%。事實上,抑癌基因hMLH1和CDH1的失活通常是由于DNA甲基化異常而不是突變引起的。雖然早期胃癌切除術后根除Hp可防止胃癌的發展[43],但根除Hp并不能阻止異時性胃癌的發展[44]。根除Hp僅能在沒有萎縮、腸化生(intestinal metaplasia,IM)和發育不良等癌前病變的患者中預防癌癥的發展[45]。一旦IM存在,胃癌的風險會增加6倍[46]?？紤]到癌癥起源于具有分裂潛能的細胞,細菌重編程很可能發生在干細胞中。利用線粒體DNA(mtDNA)突變作為克隆擴增的標記,證實突變最初發生在單個干細胞中,該干細胞通過二元裂變擴散,直到發育出一批突變的上皮細胞,從而導致腫瘤的發展[47],同時也證明了mtDNA突變在胃癌發生發展中的作用[48]。mtDNA突變經常發生在Hp陽性的胃癌患者中,關于Hp感染的慢性胃炎患者及Hp感染小鼠的研究也證實了這一點[49,50]。Hp通過誘導線粒體基因組突變,破壞氧化磷酸化代謝,增加ROS生成和mtDNA損傷。綜上所述,Hp的致癌特性由多個因素引起,如其毒力因子的遺傳毒性作用以及遺傳和表觀遺傳因子。Hp還通過下調轉錄因子和DNA修復基因表達間接調節基因表達進而調控癌癥的發生發展[51]。

Hp致癌特性機制不同,如細菌毒力因子的毒性作用、線粒體基因組突變、氧化磷酸化代謝改變,以及增加ROS的產生等[52],其中胃黏膜的異常表觀遺傳改變仍是最重要的致癌因素,但具體機制尚不明確[53]。Hp的抗生素耐藥性正在逐年上升,如果能從表觀遺傳學方面研發相關藥物,可以減少耐藥發生,提高Hp根除率,是根除Hp以及治療Hp陽性胃癌疾病患者的一種有前景的策略。