幽門螺桿菌相關(guān)胃癌與多胺代謝

　　摘要：幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori, H. pylori)選擇性地在人的胃黏膜中定植，是引發(fā)胃癌的最強(qiáng)危險(xiǎn)因素之一。多胺是一類廣泛存在于真核細(xì)胞中帶高密度正電荷的烷基類小分子化合物，參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡等重要的生理過程，多種疾病的發(fā)生發(fā)展與多胺代謝紊亂相關(guān)。近期研究發(fā)現(xiàn)， H. pylori感染能誘導(dǎo)宿主胃黏膜上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中多胺代謝異常。特別是該菌對(duì)多胺代謝途徑中的關(guān)鍵酶ARG2(arginase 2, 精氨酸酶2)、ODC(ornithine decarboxylase, 鳥氨酸脫羧酶)和SMO(soermine oxidase, 精胺氧化酶)的激活作用，與H. pylori免疫逃逸，慢性炎癥維持、DNA損傷和胃癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，提示多胺代謝途徑可能成為H. pylori相關(guān)胃癌防治的新靶點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：幽門螺桿菌;精氨酸酶;鳥氨酸脫羧酶;精胺氧化酶;胃癌

　　胃癌是腫瘤患者死亡的主要原因之一，而幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori, H. pylori)感染是引發(fā)胃癌的最強(qiáng)危險(xiǎn)因素。H. pylori是一種微需氧革蘭氏陰性菌，感染世界上近50%的人群。該菌選擇性地在人的胃黏膜中定植，未經(jīng)治療的H. pylori慢性感染可引發(fā)萎縮性胃炎和胃潰瘍，最終導(dǎo)致胃癌發(fā)生。H. pylori誘發(fā)胃癌的機(jī)制尚未完全闡明，可能與受感染的胃組織中氧化性應(yīng)激導(dǎo)致DNA損傷與突變、腫瘤抑制基因啟動(dòng)子高甲基化而表達(dá)沉默、雙鏈DNA斷裂以及miRNA 表達(dá)異常相關(guān)[1-2]。除胃黏膜外，口腔也是幽門螺旋桿菌的重要定植部位，口腔中該菌的存在是胃H. pylori感染難以治愈或治愈后易于復(fù)發(fā)的重要原因[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)， H. pylori的致癌性與其誘導(dǎo)的宿主細(xì)胞內(nèi)多胺代謝異常密切相關(guān)。

　　1 多胺與多胺代謝途徑

　　多胺，包括腐胺(putrescine)、精脒(spermidine) 和精胺(spermine)，是一類廣泛存在于真核細(xì)胞中帶高密度正電荷的烷基類小分子化合物，參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡等重要的生理過程。體內(nèi)多胺合成始于精氨酸的降解，它在精氨酸酶(arginase, ARG)的作用下分解為尿素和鳥氨酸(ornithine)，后者在多胺合成限速酶鳥氨酸脫羧酶(ornithine decarboxylase, ODC)的催化下脫羧生成腐胺，腐胺再經(jīng)精脒合成酶和精胺合成酶催化依次生成精脒和精胺。多胺的降解代謝由精脒/精胺乙酰轉(zhuǎn)移酶(spermidine/spemine acetyltranslase, SSAT)，精胺氧化酶 (spermine oxidae, SMO)和乙酰多胺氧化酶(acetylpolyamine oxidase, APAO)協(xié)同催化，在這一過程中，精胺逆轉(zhuǎn)化為精脒和腐胺，由此形成多胺的代謝循環(huán)(見圖1)。重要的是，SMO在催化精胺降解為精脒的同時(shí)，還產(chǎn)生活性氧H2O2，而H2O2的持續(xù)存在將導(dǎo)致DNA損傷并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]。大量研究證實(shí)，多胺代謝紊亂與包括腫瘤在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，由此多胺代謝途徑也成為相關(guān)疾病預(yù)防治療的重要分子靶點(diǎn)[6-7]。

　　2 H. pylori與精氨酸酶2(ARG2)

　　H. pylori感染雖能激發(fā)一定程度的宿主免疫效應(yīng)，但H. pylori卻能在胃黏膜中持續(xù)生存而導(dǎo)致慢性胃炎，這提示在感染組織的微環(huán)境中有免疫耐受機(jī)制存在。研究發(fā)現(xiàn)，H. pylori感染所致的宿主細(xì)胞多胺代謝異常與H. pylori的免疫逃逸相關(guān)。

　　在人巨噬細(xì)胞中主要有兩種不同的精氨酸酶 (arginase, ARG)，即ARG1和ARG2。其中，H. pylori對(duì)主要存在于線粒體內(nèi)的ARG2的表達(dá)誘導(dǎo)，可能是H. pylori逃避免疫殺傷的重要原因之一。在受細(xì)菌感染的組織中，巨噬細(xì)胞大量合成和釋放具有殺菌活性的NO(nitric oxide, 一氧化氮)是天然免疫抗感染的重要環(huán)節(jié)，而巨噬細(xì)胞中的NO由誘導(dǎo)型NO合酶(inducible nitric oxidase synthase, iNOS) 催化L-精氨酸(L-Arg)降解而來。巨噬細(xì)胞能通過位于細(xì)胞膜上的陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)載體2(cation transporter- 2, CAT2)從細(xì)胞外基質(zhì)中大量攝入L-Arg。入胞后的L-Arg有兩條主要的代謝途徑，一是被iNOS分解并產(chǎn)生NO，后者發(fā)揮殺傷細(xì)菌的功能;二是被 ARG2分解，轉(zhuǎn)化為鳥氨酸和尿素。值得注意的是，ARG2是一種iNOS的天然抑制因子，它一方面與iNOS競爭性利用底物L(fēng)-Arg，另一方面還能抑制iNOS mRNA的翻譯，降低iNOS活性，從而抑制 NO的合成[8]。

　　研究發(fā)現(xiàn)，H. pylori感染能顯著上調(diào)胃黏膜組織巨噬細(xì)胞中CAT2和ARG2的表達(dá)。此種條件下，雖有大量L-Arg進(jìn)入巨噬細(xì)胞，但由于ARG2 誘導(dǎo)性高表達(dá)，iNOS合成NO的功能受到抑制，巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori的免疫殺傷活性下降。此時(shí) L-Arg主要被ARG2催化降解為鳥氨酸，后者進(jìn)入多胺代謝途徑而增加細(xì)胞內(nèi)的多胺水平。此外， L-Arg在降解過程中產(chǎn)生并被分泌到細(xì)胞外的尿素也在維持H. pylori的長期慢性感染中發(fā)揮重要作用。胃中的強(qiáng)酸性環(huán)境可抑制H. pylori的生存和繁殖，但H. pylori中含有高活性的脲酶，它能將尿素分解為堿性的氨，由此中和胃酸而創(chuàng)造一種適于自身生存的pH微環(huán)境[9-10]。

　　有研究發(fā)現(xiàn)，用H. pylori感染Arg2缺失的小鼠可導(dǎo)致胃黏膜中更強(qiáng)的炎癥反應(yīng)和更低的細(xì)菌載量，這進(jìn)一步提示ARG2在H. pylori免疫逃逸中的重要作用。機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，除影響iNOS活性外， ARG2還能下調(diào)促炎細(xì)胞因子和細(xì)胞趨化因子的表達(dá)，抑制Th1/Th17細(xì)胞(參與抗菌免疫的輔助性T 細(xì)胞)分化，并抑制M1巨噬細(xì)胞(促炎巨噬細(xì)胞)的活性[11]，而用ARG抑制劑S-(2-硼酸乙基)-L-半胱氨酸(S-(2-boronoethyl)-L-cysteine, BEC)處理能增加巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori的殺傷活性[12]。這提示，H. pylori 誘導(dǎo)高表達(dá)的ARG2能通過多種途徑協(xié)助H. pylori 免疫逃逸。

　　3 H. pylori與ODC

　　鳥氨酸脫羧酶 (ornithine decarboxylase, ODC) 是多胺合成途徑中的限速酶，它的高表達(dá)與細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，H. pylori能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中ODC高表達(dá)，引起細(xì)胞內(nèi)多胺含量顯著性增加并誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡。機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，H. pylori對(duì)ODC的表達(dá)誘導(dǎo)作用與其激活細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2(extracellular regulated protein kinase1/2, ERK1/2)信號(hào)通路密切相關(guān)。H. pylori感染能增加巨噬細(xì)胞內(nèi)ERK1/2的磷酸化水平而使該酶激活，活化的ERK1/2進(jìn)入細(xì)胞核后，催化轉(zhuǎn)錄因子Fos磷酸化。磷酸化的Fos可與轉(zhuǎn)錄因子Jun形成P-Fos/Jun 活性復(fù)合體并結(jié)合到c-myc基因啟動(dòng)子中的順式元件AP-1上，由此上調(diào)c-myc的表達(dá)水平。后者再通過與ODC啟動(dòng)子內(nèi)的c-Myc效應(yīng)元件結(jié)合而激活 ODC基因轉(zhuǎn)錄，上調(diào)ODC表達(dá)水平。抑制ERK磷酸化能阻斷P-Fos/Jun復(fù)合體形成，下調(diào)ODC表達(dá)，并逆轉(zhuǎn)H. pylori誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞的凋亡[9, 13-14]。

　　Hardbower等[15]研究發(fā)現(xiàn)，ODC是M1型巨噬細(xì)胞免疫活性的負(fù)性調(diào)控因子。ODC缺失可顯著性上調(diào)H. pylori感染胃組織中M1巨噬細(xì)胞活性和對(duì)細(xì)菌的殺傷能力，增加細(xì)菌性胃炎的強(qiáng)度，同時(shí)增加炎性細(xì)胞因子和細(xì)胞趨化因子的表達(dá)水平。該研究還發(fā)現(xiàn)，ODC缺失的巨噬細(xì)胞中， H3K4單甲基化和H3K9的乙?；皆黾?，同時(shí) H3K9 2/3甲基化水平下降，這些組蛋白表觀遺傳修飾的改變導(dǎo)致與M1表型相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)。上述研究提示，通過誘導(dǎo)ODC高表達(dá)從而抑制M1 巨噬細(xì)胞的抗菌作用，可能是H. pylori免疫逃逸并導(dǎo)致持續(xù)感染的另一重要原因。

　　Barry 等[16]發(fā)現(xiàn)，ODC小分子抑制劑二氟甲基鳥氨酸(difluoromethylornithine, DFMO)是一種潛在的H. pylori感染性胃病的治療藥物。在H. pylori感染的小鼠模型中，DFMO可抑制細(xì)菌生長，下調(diào)細(xì)菌毒素CagA的合成和向胃組織細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。在小鼠食料中加入1%的DFMO能減低H. pylori相關(guān)胃炎的程度，減少胃黏膜中的細(xì)菌載量。

　　4 H. pylori與SMO

　　精胺氧化酶(spermine oxidase, SMO)是一種可誘導(dǎo)性表達(dá)的多胺降解代謝酶，它特異性催化精胺降解，將其逆轉(zhuǎn)化為精脒，同時(shí)產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的H2O2和氨基丙醛。SMO持續(xù)高表達(dá)所致的細(xì)胞氧化應(yīng)激，將導(dǎo)致DNA氧化性損傷、突變慢性積累和腫瘤的發(fā)生發(fā)展[17]。

　　CagA是H. pylori合成的一種細(xì)菌毒素，它能在細(xì)菌Ⅳ型分泌系統(tǒng)(type Ⅳsecretion systems, T4SS)的協(xié)助下進(jìn)入胃上皮細(xì)胞。入胞后，在宿主細(xì)胞酪氨酸激酶催化下，CagA發(fā)生磷酸化而被激活，活化的CagA隨后再在宿主細(xì)胞中發(fā)揮多種致病性影響[10]。Chaturvedi等[18]研究發(fā)現(xiàn)，H. pylori-Cag+ 菌株(CagA陽性)感染能顯著性上調(diào)胃上皮細(xì)胞中SMO的表達(dá)水平，長期慢性感染可導(dǎo)致 DNA氧化性損傷并誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡，而H. pyloriCag- 菌株(CagA陰性)則無上述功能。胃上皮細(xì)胞中單獨(dú)外源性表達(dá)CagA也能增加細(xì)胞內(nèi)的SMO活性，而沉默SMO表達(dá)或抑制SMO活性則能減輕H. pylori誘導(dǎo)的DNA損傷和阻斷細(xì)胞凋亡，這提示H. pylori誘導(dǎo)SMO表達(dá)與其所含的細(xì)菌毒素CagA密切相關(guān)。上調(diào)SMO表達(dá)導(dǎo)致H2O2積累和DNA損傷是H. pylori誘導(dǎo)胃上皮細(xì)胞發(fā)生凋亡的重要原因，但值得注意的是，該研究組發(fā)現(xiàn)，在H. pylori慢性感染的胃上皮細(xì)胞中，出現(xiàn)了一個(gè)有大量DNA損傷但卻能拮抗凋亡發(fā)生的細(xì)胞亞群，這可能是 DNA突變導(dǎo)致促凋亡基因失活或凋亡抑制基因活化所致。這是一類可能發(fā)生惡變的高危細(xì)胞，它們?cè)谠鲋车倪^程中不斷積累更多的DNA突變，最終將導(dǎo)致胃癌的發(fā)生與發(fā)展[10, 18-19]。

　　除誘導(dǎo)SMO表達(dá)引起DNA氧化性損傷外，研究還發(fā)現(xiàn)H. pylori感染的胃黏膜組織細(xì)胞內(nèi)，DNA 損傷的修復(fù)能力也明顯下降，錯(cuò)配修復(fù)基因 MSH2、MSH6、MLH1、MSH3、PMS1和PMS2表達(dá)下調(diào)，以及脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶(apurinic/ apyrimidinic endonuclease, APE-1)因乙?；揎椂钚韵陆?。DNA損傷修復(fù)能力的抑制將進(jìn)一步加快基因突變的頻率和積累速度[20]。

　　H. pylori對(duì)胃上皮細(xì)胞中miR-124表達(dá)的抑制作用可能是H. pylori上調(diào)SMO活性的另一途徑。 Murray-Stewart等[21]對(duì)H. pylor相關(guān)胃炎組織的分析發(fā)現(xiàn)，炎性組織細(xì)胞內(nèi)miR-124啟動(dòng)子呈高甲基化狀態(tài)，并與SMO表達(dá)上調(diào)相關(guān)。miR-124是一種抑癌miRNA，在多種腫瘤細(xì)胞中該miRNA因其啟動(dòng)子甲基化而表達(dá)下調(diào)。SMO是受miR-124負(fù)調(diào)控的下游靶分子，在SMO mRNA的5'-UTR內(nèi)含有miR- 124識(shí)別與結(jié)合的靶序列。在胃腺癌細(xì)胞中，用 DNA甲基化酶抑制劑5-氮雜胞苷(5-azacytidine, 5-AZ)處理使miR-124表達(dá)升高或外源性高表達(dá) miR-124能使SMO的mRNA 和蛋白質(zhì)水平下調(diào)， H2O2生成減少。過表達(dá)miR-124也能阻止H. pylori 感染對(duì)SMO的誘導(dǎo)作用。這提示miR-124能通過抑制SMO介導(dǎo)的DNA損傷而對(duì)H. pylori誘導(dǎo)的胃癌取到防護(hù)作用。目前尚不明確的是，H. pylori感染所致的miR-124啟動(dòng)子高甲基化是否也與細(xì)菌毒素 CagA的作用相關(guān)。

　　雖然上述研究提示，H. pylori對(duì)胃黏膜細(xì)胞中 SMO表達(dá)的誘導(dǎo)作用，是H. pylori慢性感染所致基因突變和細(xì)胞癌變的重要病理基礎(chǔ)。但也有研究者認(rèn)為，H. pylori誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中SMO表達(dá)可增強(qiáng)巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori的免疫殺傷活性。

　　如前所述，H. pylori感染能上調(diào)巨噬細(xì)胞中 CAT2而增加細(xì)胞對(duì)L-Arg的攝取，但同時(shí)被誘導(dǎo)的 ARG2能競爭性消耗入胞的L-Arg而抑制NO的合成，由此抑制巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori的殺傷能力。 L-Arg經(jīng)ARG2降解產(chǎn)生的鳥氨酸則進(jìn)入多胺代謝途徑而升高細(xì)胞內(nèi)的多胺水平。Chaturvedi等[22-23] 研究發(fā)現(xiàn)，精胺水平升高能抑制CAT2對(duì)L-Arg的攝取，并抑制iNOD的翻譯，由此進(jìn)一步減少NO合成和抑制巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori的殺傷活性。但由于 H. pylori也能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中SMO高表達(dá)，后者通過降解精胺而使其細(xì)胞內(nèi)含量下降，由此解除精胺對(duì)L-Arg攝取和NO合成的抑制，從而部分恢復(fù)巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori的殺傷活性。用H. pylori處理 SMO表達(dá)沉默的小鼠巨噬細(xì)胞后，細(xì)胞內(nèi)NO含量比同樣處理的對(duì)照細(xì)胞明顯下降。用H. pylori處理對(duì)照巨噬細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞內(nèi)精胺含量短暫上升然后迅速下降，但沉默SMO表達(dá)后，H. pylori處理使精胺上升更為明顯且持續(xù)時(shí)間更長，同時(shí)L-Arg攝取減少，巨噬細(xì)胞對(duì)H. pylori殺傷能力下降。 這些研究提示，在巨噬細(xì)胞內(nèi)，SMO可能是H. pylori誘導(dǎo)宿主免疫反應(yīng)的正性調(diào)節(jié)因子。

　　5 小結(jié)

　　H. pylori感染能誘導(dǎo)宿主胃黏膜上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中多胺代謝異常。特別是該菌對(duì)多胺代謝途徑中的關(guān)鍵酶ARG2、ODC和SMO的激活作用，與H. pylori的免疫逃逸，慢性炎癥維持、DNA損傷和胃癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。由于H. pylori感染局部的微環(huán)境中多胺代謝異常對(duì)H. pylori生存和對(duì)宿主細(xì)胞本身的影響復(fù)雜多樣，在此領(lǐng)域的進(jìn)一步深入探索，將有助于闡明H. pylori相關(guān)胃癌發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制，為胃癌的防治和新型藥物設(shè)計(jì)提供新的分子靶點(diǎn)。

　　《幽門螺桿菌相關(guān)胃癌與多胺代謝》來源：《生命的化學(xué)》2018年12期，作者：李論; 陳鵬飛; 朱俊垚; 王艷林。

《幽門螺桿菌相關(guān)胃癌與多胺代謝》

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