幽门螺杆菌相关胃癌与多胺代谢

李论，陈鹏飞，朱俊垚，王艳林
(三峡大学医学院，肿瘤微环境与免疫治疗湖北省重点实验室，宜昌443002)

【摘 要】：幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori, H. pylori)选择性地在人的胃黏膜中定植，是引发胃癌的最强危险因素之一。多胺是一类广泛存在于真核细胞中带高密度正电荷的烷基类小分子化合物，参与细胞增殖、分化、凋亡等重要的生理过程，多种疾病的发生发展与多胺代谢紊乱相关。近期研究发现，H.pylori感染能诱导宿主胃黏膜上皮细胞和巨噬细胞中多胺代谢异常。特别是该菌对多胺代谢途径中的关键酶ARG2(arginase2，精氨酸酶2)、ODC(ornithine decarboxylase，鸟氨酸脱羧酶)和SMO(soermineoxidase，精胺氧化酶)的激活作用，与H.pylori免疫逃逸，慢性炎症维持、DNA损伤和胃癌的发生发展密切相关，提示多胺代谢途径可能成为H.pylori相关胃癌防治的新靶点。

【关键词】：幽门螺杆菌；精氨酸酶；鸟氨酸脱羧酶；精胺氧化酶；胃癌

Helicobacter Pylori related gastric cancer and polyamine metabolism
LI Lun, CHEN Pengfei, ZHU Junyao, WANG Yanlin
(Hubei Key Laboratory of Tumor Microenvironment and Immunotherapy, Three Gorges University Medical College,Yichang 443002, China)

【Abstract】: Helicobacter pylori (H. pylori) which selectively colonize in human gastric mucosa is one of the strongest risk factors for gastric cancer. Polyamines are a class of small alkyl compounds with high density positive charge in eukaryotic cells and involved in cell proliferation, differentiation, apoptosis and other important physiological processes. Disorder of polyamine metabolism is also related to the development of many diseases. Recent studies have shown that H. pylori infection can induce metabolic abnormality of polyamines in the host gastric epithelial cells and macrophages. In particular, the activation of ARG2, ODC and SMO (the key enzymes in polyamine metabolic pathway) induced by H. pylori is closely related to the immune escape of H. pylori, the maintenance of chronic inflammation, the damage of DNA and the development of gastric cancer, which suggests that the polyamine metabolic pathway may be a new target for the prevention and treatment of H. pylori-related gastric cancer.

【Key Words】: Helicobacter pylori; arginase; ornithine decarboxylase; spermine oxidase; gastric cancer

胃癌是肿瘤患者死亡的主要原因之一，而幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori, H. pylori)感染是引发胃癌的最强危险因素。H.pylori是一种微需氧革兰氏阴性菌，感染世界上近50%的人群。该菌选择性地在人的胃黏膜中定植，未经治疗的H.pylori慢性感染可引发萎缩性胃炎和胃溃疡，最终导致胃癌发生。H.pylori诱发胃癌的机制尚未完全阐明，可能与受感染的胃组织中氧化性应激导致DNA损伤与突变、肿瘤抑制基因启动子高甲基化而表达沉默、双链DNA断裂以及miRNA表达异常相关[1-2]。除胃黏膜外，口腔也是幽门螺旋杆菌的重要定植部位，口腔中该菌的存在是胃H.pylori感染难以治愈或治愈后易于复发的重要原因[3-4]。研究发现，H.pylori的致癌性与其诱导的宿主细胞内多胺代谢异常密切相关。

1 多胺与多胺代谢途径

多胺，包括腐胺(putrescine)、精脒(spermidine)和精胺(spermine)，是一类广泛存在于真核细胞中带高密度正电荷的烷基类小分子化合物，参与细胞增殖、分化、凋亡等重要的生理过程。体内多胺合成始于精氨酸的降解，它在精氨酸酶(arginase，ARG)的作用下分解为尿素和鸟氨酸(ornithine)，后者在多胺合成限速酶鸟氨酸脱羧酶(ornithine decarboxylase,ODC)的催化下脱羧生成腐胺，腐胺再经精脒合成酶和精胺合成酶催化依次生成精脒和精胺。多胺的降解代谢由精脒/精胺乙酰转移酶(spermidine/spemine acetyltranslase, SSAT)，精胺氧化酶(spermine oxidae, SMO)和乙酰多胺氧化酶(acetylpolyamineoxidase, APAO)协同催化，在这一过程中，精胺逆转化为精脒和腐胺，由此形成多胺的代谢循环(见图1)。重要的是，SMO在催化精胺降解为精脒的同时，还产生活性氧H2O2，而H2O2的持续存在将导致DNA损伤并诱导细胞凋亡[5]。大量研究证实，多胺代谢紊乱与包括肿瘤在内的多种疾病的发生发展密切相关，由此多胺代谢途径也成为相关疾病预防治疗的重要分子靶点[6-7]。

2  H.pylori与精氨酸酶2(ARG2)

H.pylori感染虽能激发一定程度的宿主免疫效应，但H.pylori却能在胃黏膜中持续生存而导致慢性胃炎，这提示在感染组织的微环境中有免疫耐受机制存在。研究发现，H.pylori感染所致的宿主细胞多胺代谢异常与H.pylori的免疫逃逸相关。

在人巨噬细胞中主要有两种不同的精氨酸酶(arginase，ARG)，即ARG1和ARG2。其中，H.pylori对主要存在于线粒体内的ARG2的表达诱导，可能是H.pylori逃避免疫杀伤的重要原因之一。在受细菌感染的组织中，巨噬细胞大量合成和释放具有杀菌活性的NO(nitric oxide，一氧化氮)是天然免疫抗感染的重要环节，而巨噬细胞中的NO由诱导型NO合酶(inducible nitric oxidase synthase, iNOS)催化L-精氨酸(L-Arg)降解而来。巨噬细胞能通过位于细胞膜上的阳离子转运载体2(cation transporter-2, CAT2)从细胞外基质中大量摄入L-Arg。入胞后的L-Arg有两条主要的代谢途径，一是被iNOS分解并产生NO，后者发挥杀伤细菌的功能；二是被ARG2分解，转化为鸟氨酸和尿素。值得注意的是，ARG2是一种iNOS的天然抑制因子，它一方面与iNOS竞争性利用底物L-Arg，另一方面还能抑制iNOSmRNA的翻译，降低iNOS活性，从而抑制NO的合成[8]。

研究发现，H.pylori感染能显著上调胃黏膜组织巨噬细胞中CAT2和ARG2的表达。此种条件下，虽有大量L-Arg进入巨噬细胞，但由于ARG2诱导性高表达，iNOS合成NO的功能受到抑制，巨噬细胞对H.pylori的免疫杀伤活性下降。此时L-Arg主要被ARG2催化降解为鸟氨酸，后者进入多胺代谢途径而增加细胞内的多胺水平。此外，L-Arg在降解过程中产生并被分泌到细胞外的尿素也在维持H.pylori的长期慢性感染中发挥重要作用。胃中的强酸性环境可抑制H.pylori的生存和繁殖，但H.pylori中含有高活性的脲酶，它能将尿素分解为碱性的氨，由此中和胃酸而创造一种适于自身生存的pH微环境[9-10]。
有研究发现，用H.pylori感染Arg2缺失的小鼠可导致胃黏膜中更强的炎症反应和更低的细菌载量，这进一步提示ARG2在H.pylori免疫逃逸中的重要作用。机制分析发现，除影响iNOS活性外，ARG2还能下调促炎细胞因子和细胞趋化因子的表达，抑制Th1/Th17细胞(参与抗菌免疫的辅助性T胞)分化，并抑制M1巨噬细胞(促炎巨噬细胞)的活性[11]，而用ARG抑制剂S-(2-硼酸乙基)-L-半胱氨酸(S-(2-boronoethyl)-L-cysteine，BEC)处理能增加巨噬细胞对H.pylori的杀伤活性[12]。这提示，H.pylori诱导高表达的ARG2能通过多种途径协助H.pylori免疫逃逸。

3 H.pylori与ODC

鸟氨酸脱羧酶(ornithine decarboxylase, ODC)是多胺合成途径中的限速酶，它的高表达与细胞恶性转化密切相关。研究发现，H.pylori能诱导巨噬细胞中ODC高表达，引起细胞内多胺含量显著性增加并诱导巨噬细胞凋亡。机制分析发现，H.pylori对ODC的表达诱导作用与其激活细胞外调节蛋白激酶1/2(extracellular regulated protein kinase1/2,ERK1/2)信号通路密切相关。H.pylori感染能增加巨噬细胞内ERK1/2的磷酸化水平而使该酶激活，活化的ERK1/2进入细胞核后，催化转录因子Fos磷酸化。磷酸化的Fos可与转录因子Jun形成P-Fos/Jun活性复合体并结合到c-myc基因启动子中的顺式元件AP-1上，由此上调c-myc的表达水平。后者再通过与ODC启动子内的c-Myc效应元件结合而激活ODC基因转录，上调ODC表达水平。抑制ERK磷酸化能阻断P-Fos/Jun复合体形成，下调ODC表达，并逆转H.pylori诱导的巨噬细胞的凋亡[9，13-14]。

Hardbower等[15]研究发现，ODC是M1型巨噬细胞免疫活性的负性调控因子。ODC缺失可显著性上调H.pylori感染胃组织中M1巨噬细胞活性和对细菌的杀伤能力，增加细菌性胃炎的强度，同时增加炎性细胞因子和细胞趋化因子的表达水平。该研究还发现，ODC缺失的巨噬细胞中，H3K4单甲基化和H3K9的乙酰化水平增加，同时H3K92/3甲基化水平下降，这些组蛋白表观遗传修饰的改变导致与M1表型相关的基因表达上调。上述研究提示，通过诱导ODC高表达从而抑制M1巨噬细胞的抗菌作用，可能是H.pylori免疫逃逸并导致持续感染的另一重要原因。

Barry等[16]发现，ODC小分子抑制剂二氟甲基鸟氨酸(difluoromethylornithine, DFMO)是一种潜在的H.pylori感染性胃病的治疗药物。在H.pylori感染的小鼠模型中，DFMO可抑制细菌生长，下调细菌毒素CagA的合成和向胃组织细胞的转移。在小鼠食料中加入1%的DFMO能减低H.pylori相关胃炎的程度，减少胃黏膜中的细菌载量。

4  H.pylori与SMO

精胺氧化酶(spermine oxidase, SMO)是一种可诱导性表达的多胺降解代谢酶，它特异性催化精胺降解，将其逆转化为精脒，同时产生具有细胞毒性的H2O2和氨基丙醛。SMO持续高表达所致的细胞氧化应激，将导致DNA氧化性损伤、突变慢性积累和肿瘤的发生发展[17]。

CagA是H.pylori合成的一种细菌毒素，它能在细菌Ⅳ型分泌系统(type Ⅳsecretion systems,T4SS)的协助下进入胃上皮细胞。入胞后，在宿主细胞酪氨酸激酶催化下，CagA发生磷酸化而被激活，活化的CagA随后再在宿主细胞中发挥多种致病性影响[10]。Chaturvedi等[18]研究发现，H.pylori-Cag+菌株(CagA阳性)感染能显著性上调胃上皮细胞中SMO的表达水平，长期慢性感染可导致DNA氧化性损伤并诱导细胞发生凋亡，而H.pylori-Cag-菌株(CagA阴性)则无上述功能。胃上皮细胞中独外源性表达CagA也能增加细胞内的SMO活性，而沉默SMO表达或抑制SMO活性则能减轻H.pylori诱导的DNA损伤和阻断细胞凋亡，这提示H.pylori诱导SMO表达与其所含的细菌毒素CagA密切相关。上调SMO表达导致H2O2积累和DNA损伤是H.pylori诱导胃上皮细胞发生凋亡的重要原因，但值得注意的是，该研究组发现，在H.pylori慢性感染的胃上皮细胞中，出现了一个有大量DNA损伤但却能拮抗凋亡发生的细胞亚群，这可能是DNA突变导致促凋亡基因失活或凋亡抑制基因活化所致。这是一类可能发生恶变的高危细胞，它们在增殖的过程中不断积累更多的DNA突变，最终将导致胃癌的发生与发展[10，18-19]。
除诱导SMO表达引起DNA氧化性损伤外，研究还发现H.pylori感染的胃黏膜组织细胞内，DNA损伤的修复能力也明显下降，错配修复基因MSH2、MSH6、MLH1、MSH3、PMS1和PMS2表达下调，以及脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶(apurinic/apyrimidinic endonuclease, APE-1)因乙酰化修饰而活性下降。DNA损伤修复能力的抑制将进一步加快基因突变的频率和积累速度[20]。

H.pylori对胃上皮细胞中miR-124表达的抑制作用可能是H.pylori上调SMO活性的另一途径。Murray-Stewart等[21]对H.pylor相关胃炎组织的分析发现，炎性组织细胞内miR-124启动子呈高甲基化状态，并与SMO表达上调相关。miR-124是一种抑癌miRNA，在多种肿瘤细胞中该miRNA因其启动子甲基化而表达下调。SMO是受miR-124负调控的下游靶分子，在SMOmRNA的5'-UTR内含有miR-124识别与结合的靶序列。在胃腺癌细胞中，用DNA甲基化酶抑制剂5-氮杂胞苷(5-azacytidine，5-AZ)处理使miR-124表达升高或外源性高表达miR-124能使SMO的mRNA和蛋白质水平下调，H2O2生成减少。过表达miR-124也能阻止H.pylori感染对SMO的诱导作用。这提示miR-124能通过抑制SMO介导的DNA损伤而对H.pylori诱导的胃癌取到防护作用。目前尚不明确的是，H.pylori感染所致的miR-124启动子高甲基化是否也与细菌毒素CagA的作用相关。

虽然上述研究提示，H.pylori对胃黏膜细胞中SMO表达的诱导作用，是H.pylori慢性感染所致基因突变和细胞癌变的重要病理基础。但也有研究者认为，H.pylori诱导巨噬细胞中SMO表达可增强巨噬细胞对H.pylori的免疫杀伤活性。

如前所述，H.pylori感染能上调巨噬细胞中CAT2而增加细胞对L-Arg的摄取，但同时被诱导的ARG2能竞争性消耗入胞的L-Arg而抑制NO的合成，由此抑制巨噬细胞对H.pylori的杀伤能力。L-Arg经ARG2降解产生的鸟氨酸则进入多胺代谢途径而升高细胞内的多胺水平。Chaturvedi等[22-23]研究发现，精胺水平升高能抑制CAT2对L-Arg的摄取，并抑制iNOD的翻译，由此进一步减少NO合成和抑制巨噬细胞对H.pylori的杀伤活性。但由于H.pylori也能诱导巨噬细胞中SMO高表达，后者通过降解精胺而使其细胞内含量下降，由此解除精胺对L-Arg摄取和NO合成的抑制，从而部分恢复巨噬细胞对H.pylori的杀伤活性。用H.pylori处理SMO表达沉默的小鼠巨噬细胞后，细胞内NO含量比同样处理的对照细胞明显下降。用H.pylori处理对照巨噬细胞时，细胞内精胺含量短暂上升然后迅速下降，但沉默SMO表达后，H.pylori处理使精胺上升更为明显且持续时间更长，同时L-Arg摄取减少，巨噬细胞对H.pylori杀伤能力下降。这些研究提示，在巨噬细胞内，SMO可能是H.pylori诱导宿主免疫反应的正性调节因子。

5  小结

H.pylori感染能诱导宿主胃黏膜上皮细胞和巨噬细胞中多胺代谢异常。特别是该菌对多胺代谢途径中的关键酶ARG2、ODC和SMO的激活作用，与H.pylori的免疫逃逸，慢性炎症维持、DNA损伤和胃癌的发生发展密切相关。由于H.pylori感染局部的微环境中多胺代谢异常对H.pylori生存和对主细胞本身的影响复杂多样，在此领域的进一步深入探索，将有助于阐明H.pylori相关胃癌发生发展的分子机制，为胃癌的防治和新型药物设计提供新的分子靶点。

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