幽门螺杆菌毒力因子CagA的基因表达调控机制研究进展.pdf
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1、医学分子生物学杂志,2024,21(2):171-175 J Med Mol Biol,2024,21(2):171-175DOI:10.3870/j.issn.1672-8009.2024.02.013资助项目:国家自然科学基金(No.31870777)通讯作者:董全江(电话:0532-88905289,E-mail:)This work was supported by a grand from the National Natural ScienceFoundation of China(No.31870777)Corresponding author:DONG Quanjiang(Te
2、l:86-532-88905289,E-mail:)幽门螺杆菌毒力因子 CagA 的基因表达调控机制研究进展王萌萌1,2,余梦超1,王莉莉1,赵振宇1,3,董全江11青岛市市立医院中心实验室 山东省青岛市,2660002山东第二医科大学临床医学院 山东省潍坊市,2610003大连医科大学研究生院 辽宁省大连市,116000【摘要】全球约有一半人口感染了幽门螺杆菌(Helicobacter pylori,H.pylori),特别是发展中国家的感染率极高。目前,幽门螺杆菌感染已被列为胃癌发生的高危因素。幽门螺杆菌感染的致病机制被认为与环境因素、宿主易感性和细菌毒力等因素之间复杂的相互作用有关。文章
3、主要对幽门螺杆菌毒力因子细胞毒素相关基因(cytotoxin-associated gene A,cagA)表达调控的分子机制进行综述,以便更好地理解 cagA 的致病性,为今后预防和治疗由幽门螺杆菌所引起的疾病提供理论参考。【关键词】幽门螺杆菌;cagA;调控机制【中图分类号】R378Advances in Gene Expression Regulatory Mechanism of Helicobacterpylori Virluence Factor CagAWANG Mengmeng1,2,YU Mengchao1,WANG Lili1,ZHAO Zhenyu1,3,DONG Qua
4、njiang11Central Laboratory,Qingdao Municipal Hospital,Qingdao,Shandong,266000,China2Shandong Second Medical University Clinical School of Medicine,Weifang,Shandong,261000,China3Graduate School of Dalian Medical University,Dalian,Liaoning,116000,China【Abstract】About half of the global population has
5、been found to be infected with Helicobacterpylori(H.pylori),with particularly high rates in developing countries.Currently,H.pylori infec-tion has been listed as a high-risk factor for the development of gastric cancer.The pathogenesis ofH.pylori infection is believed to be associated with complex i
6、nteractions between environment fac-tors,host susceptibilities,and bacterial pathogenicity.Therefore,this article reviews the molecularmechanism of the regulation of Helicobacter pylori independent factor cagA expression,in order tobetter understand the pathogenicity of cagA and to provide a theoret
7、ical reference for the future pre-vention and treatment of diseases caused by H.pylori.【Key words】Helicobacter pylori;cytotoxin-associated gene A;regulatory mechanism 幽门螺杆菌是一种微需氧、具有鞭毛结构的革兰阴性杆菌。它可以通过口腔-口腔或粪便-口腔传染给其他人1。感染幽门螺杆菌患者如果不治疗,幽门螺杆菌会长期定植在胃黏膜中。幽门螺杆菌感染是浅表性胃炎、消化性溃疡、胃癌和粘膜相关淋巴瘤发生的重要危险因素2-3。1994 年,国际
8、癌症研究机构、世界卫生组织(IARC/WHO)将幽门螺杆菌分类为 1 类致癌物质4。cagA(cytotoxin-associated gene A)是幽门螺杆菌最重要的毒力因子之一,在西方国家 70%菌株中存在。它是目前研究最多的幽门螺杆菌毒力基因,感染 cagA 阳性的幽门螺杆菌菌株被认为是发生严重胃十二指肠并发症的最强危险因素。cagA的编码基因位于 CAG 致病岛(cytotoxin associatedgene pathogenicity island,CagPAI)内5。CagPAI是 40 kb 的染色体 DNA 区域,编码近 31 个基因,形成一个型分泌系统。目前已知有 7 种
9、不同的分泌系统()。其中型分泌系统(type secretion system,T4SS)采用基于菌毛的结构来介导 DNA 或蛋白质向靶细胞的输送6。除了编码 T4SS 系统,CagPAI 还编码 CagA 蛋白,该蛋白对宿主细胞具有细胞毒作用,它通过T4SS 形成的菌毛注射到细胞内4。在 cagA 阳性的幽门螺杆菌体外感染胃上皮细胞时,诱导了一种独特的形态变化,其特征在于细胞形状的延长,被称为蜂鸟表型,这在胃癌的发展中起着重要作用7。进入宿主细胞后,CagA 的羧基末端的可变区酪氨酸磷酸化基序(Glu-Pro-Ile-Tyr-Ala,EPIYA)的酪氨酸(Y)残基经历了多种细胞激酶的磷酸化,
10、如Src 家族激酶(SFKs)和酪氨酸激酶(c-Abl)8-9。酪氨酸磷酸化使 CagA 能够与 SHP-2(含有两个SH2 区域的蛋白酪氨酸磷酸酶)结构域相互作用,这种相互作用扰乱了它们的功能,导致各种细胞信号通路的失调,如 Ras-ERK-MAP 激酶和 Wnt/-catenin 信号,最终导致细胞生理紊乱,如细胞形态、细胞增殖和白介素(IL-8)表达8,10-11。此外,在 cagA 阳性幽门螺杆菌感染的癌变胃组织中,Yes-相关蛋白(Yes-associated protein,YAP)和YAP 类似蛋白(transcriptional activator with WD40repea
11、t and DNA-binding domain 1,TAZ)的表达也显著升高,提示其可能在上皮细胞的转化中发挥作用。YAP 是 Hippo 肿瘤抑制信号通路的一个组成部分,在维持器官的适当大小、组织稳态、细胞增殖和干细胞特性方面发挥着关键作用12。cagA 阳性的幽门螺杆菌感染也与 E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白和 Slug 水平的降低相关,从而促进上皮间充质转化(epithelial-mesenchymaltransition,EMT)过程13。自 20 世纪 90 年代中期以来,多个国家和地区的人群研究发现,cagA 状态与更严重的疾病状态(十二指肠溃疡、消化性溃疡疾病、癌前病变的进展和胃癌
12、)之间存在相关性14,携带 cagA 基因的幽门螺杆菌比 cagA 阴性菌株的毒力更强。东亚是胃癌高发地区,而其人群中 cagA 阳性菌株的阳性率也非常高15-16。伊朗也是一个胃癌高发地区,其胃癌发病率约为 62.3 例/10 万人(源于 GLOBO-CAN 数据库),其人群中 cagA 基因的阳性率约为54.82%,这进一步证实了 cagA 的存在与胃溃疡、胃萎缩和胃癌等胃肠道疾病显著相关17-18。近年来,幽门螺杆菌的感染率逐年增加,解析cagA 基因表达及其调控机制对阐明幽门螺杆菌的致病机理具有重要的科学理论意义。因此,本文拟对幽门螺杆菌的主要毒力因子 CagA 的基因表达调控机制的研
13、究进展作一综述,以期为有效预防幽门螺杆菌感染引起的疾病提供新的思路。1 cagA 基因 DNA 水平上的调节CagA 蛋白是幽门螺杆菌重要的毒力因子。一项对哥伦比亚菌株的研究发现,不同幽门螺杆菌株CagA 的表达呈现出很大差别,研究人员猜测 cagA基因的 ATG 翻译起始点上游序列可能存在变异。通过在幽门螺杆菌标准菌株 26695 中导入哥伦比亚菌株中的 ATG 转录起始位点(上游 0.5 kb 至下游0.7 kb)序列,研究人员证实 cagA 的 ATG 转录起始位点序列差异是引起 cagA 基因表达水平差异的原因19。研究人员进一步通过对 cagA 差异表达的哥伦比亚菌株的 cagA 转
14、录起始位点序列(1.2 kb片段)进行测序和比对发现了多处序列有不同,这其中包括转录起始位点上游 344 个碱基处的 TG-GATC 基序(motif)和 cagA 启动子内 AT 富集区内的 TAATGA 基序的拷贝数的变化、以及转录起始位点上游 10 个碱基序列处(-10)的启动子序列及其上游的 TG 重复序列的序列变化。最终,研究人员确认了转录起始位点下游约 56 个核苷酸处的AATAAGATA 基序的存在与 cagA 的高水平表达显著相关19。随后,为进一步证明 cagA 启动子区域序列和 CagA 蛋白表达间的关系,研究者在北葡萄牙菌株中也进行了相应的实验,并发现 cagA 翻译起始
15、点上游的+59 基序(AATAAGATA)与 CagA的高表达相关。然而幽门螺杆菌标准菌株 26695 中也含有+59 基序,但与其他菌株相比,产生的 ca-gA 水平相对较低,这可能与+59 基序周围的核苷酸序列有关,因此,AATAAGATA 基序下游额外的核苷酸对于 CagA 的表达也很重要19。幽门螺杆菌凭借其鞭毛可以在液体、半固体、固体介质中产生不同类型的运动20。幽门螺杆菌的这种运动,对其诱导炎症发生以及免疫逃逸有帮助。与许多运动细菌一样,幽门螺杆菌鞭毛基因表达和生物合成的调节是一个复杂的过程。据报道,幽门螺杆菌菌株 69A 与 AGS 细胞粘附后,22 个基因表达持续上调,其中鞭毛
16、钩长调控蛋白(flagel-lar hook-lemgth control protein,FLiK)基因(Flik)的表达上调幅度最大(5.2 倍)21。Baidya 等21的研究表明,在幽门螺杆菌与 AGS 细胞的粘附过程中,Flik 是上调 cagA 表达所必需的。FliK 需要感知鞭毛钩的最佳长度,从而触发抗28因子 FlgM 的分泌。在 fliK 突变体中,FlgM 不能输出,从而将 28隔离在细菌细胞内,阻止了 28依赖基因的表达22。在未粘附的幽门螺杆菌中,271王萌萌,等.幽门螺杆菌毒力因子 CagA 的基因表达调控机制研究进展cagA 的表达水平来自 80依赖的启动子,但在
17、AGS粘附的细菌中,cagA 的表达上调主要来自位于 80启动子下游的另一个 28依赖的启动子。虽然功能性 28对上调 AGS 粘附的幽门螺杆菌中 cagA 的表达至关重要,但过度增加功能性 28的水平并不会增加 cagA 的表达22。对幽 门 螺 杆 菌 临 床 分 离 株 的 研 究 表 明,cagAORF 上 游 高 水 平 表 达 cagA 的 DNA 基 序(AATAAGATA)的存在与疾病的严重程度密切相关。值得注意的是,AATAAGATA 基序包含在 28-RNAP 启动子基序中。有研究报道含有 AATAAGA-TA 基序的菌株很可能利用了另一个 28-RNAP 启动子,从而导致
18、 cagA 表达水平的增加和随后的疾病严重程度增加21。综上所述,这些结果表明,虽然功能性 28对上调 AGS 粘附的幽门螺杆菌中CagA 的表达至关重要,但可能还有一些尚未确定的因素参与其中。2 cagA 转录水平上的调控既往的研究发现 cagA 翻译起始点上游的碱基序列(AATAAGATA)与 CagA 的高表达相关,但其还不足以实现 CagA 高水平的表达。由于该基序位于 cagA 转录本 5非翻译区,因此研究学者曾利用 RNA 二级结构预测程序(LocARNA 和 RNAold)发现,在+59 基序下游存在 3 种保守的、潜在的茎环结构(茎 A、茎 B 和茎 C)。通过对+59 基序的
19、研究及邻近茎环结构的研究发现,茎 B(stemB)结构的突变造成 cagA 转录本和 CagA 蛋白稳态水平降低。而茎 A(stem A)和茎 C(stem C)对cagA 转录水平和 CagA 蛋白的稳态水平几乎没有影响。此外,茎环结构的突变导致 cagA mRNA 半衰期缩短23。Sinnett 等24在 vacA5非翻译区的+4,+30 之间,描述了 vacA 基因组中的第二个反向重复序列,预测在转录本的第 5端形成茎环结构。并通过研究表明这一潜在的茎环对于稳定 vacA mRNA 是重要的:破坏其形成导致 mRNA 半衰期的缩短和转录水平的降低。这一最初的结论是由学者 Amilon发现
20、的25。在大肠埃希菌中,RNA 焦磷水解酶(RNA 5pyrophosphohydrolase,RppH)是一种通过将转录本的三磷酸化 5端转化为单磷酸化形式来启动 RNA 衰退的酶,使转录本更容易被主要核糖核酸酶(RNase E)降解,mRNA 转录本 5端的茎环结构通过阻止其与 RppH 的结合来增加其稳定性26。对幽门螺杆菌的核苷酸序列进行分析,没有发现 RNase E 同源物。mRNA 的降解被认为主要归因于一个小的含有降解体的 RNase J。对同样缺乏 RNase E 的枯草芽孢杆菌的 RNase J 的研究表明,这种核酸酶对 mRNA 转录物的单磷酸化 5端有更大的亲和力,并能够
21、在 5到 3方向进行核外降解26。Richards27发现枯草杆菌中的 5端茎环结构同大肠埃希菌相似,巧妙地降低 RppH 活性。因此,尽管缺乏 RNase E,但 Amilon 假设幽门螺杆菌毒力因子 vacA 中的 5 UTR 中的茎环结构限制RppH 对转录本的结合来提高转录本的稳定性,使其成为 RNase J 的低效底物。对于 cagA 的茎环结构对转录本的影响是否与 vacA 机制相似,目前尚缺少更多研究证实。3 sRNA 调控 cagA 表达细菌的基因表达需要经过许多分子的控制,这些分子在多个水平上起作用。除了已知的参与基因表达的全局调控的转录因子(TFs)外,小分子RNA(sRN
22、As)正在成为基因调控网络中的主要角色28。作为关键的转录后调节因子,sRNAs 通过与靶基因中的互补序列结合来控制翻译速率和 mR-NAs 的稳定性,调节毒力基因。虽然研究发现一些小 RNA(sRNAs)拮抗蛋白质活性,但大多数功能特征的 sRNAs 在反式编码的 mRNAs 上充当碱基配对 RNA,从而抑制或激活基因的表达。Eisenbart 等29证明了序列重复可以影响 sRNA调控的效率。幽门螺杆菌 sRNA RepG 携带一个富含 C/U 的序列,靶向 tlpB mRNA 5UTR 中的同聚G-重复序列,编码趋化受体。虽然 RepG 的 C/U 链高度保守,但靶向 G 重复序列的长度
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