CagA và đảo gây bệnh
Vùng gây bệnh Cag của H. pylori (Cag PAI) là một vùng DNA khoảng 40 kb mã hóa gen liên quan đến độc tố tế bào A (CagA) và khoảng 27–30 gen bổ sung mã hóa các protein tạo thành hệ thống tiết loại IV (T4SS). T4SS là một đặc điểm nhung mao (pili) giống như ống tiêm tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển protein hiệu ứng CagA và các sản phẩm vi khuẩn khác vào tế bào biểu mô dạ dày, ảnh hưởng đến cơ chế gây bệnh của H. pylori. CagA là một protein 120-140 kDa mà sự biểu hiện của nó bởi H. pylori đại diện cho yếu tố nguy cơ mạnh nhất đối với ung thư dạ dày. Miền đầu N của CagA chứa một vị trí liên kết với integrin α5β1, đây là một tương tác quan trọng trong việc chuyển CagA vào tế bào biểu mô dạ dày.
Sau khi vào bên trong tế bào biểu mô dạ dày, CagA liên kết với phosphatidyl serine (PS) ở bề mặt bên trong màng tế bào và được phosphoryl hóa tyrosine bởi các kinase tyrosine Src/Abl tại các motif glutamate-proline-isoleucine-tyrosine-alanine (EPIYA) nằm ở đầu C của CagA. CagA được phosphoryl hóa tạo thành phức hợp với các miền Src-homology 2 (SH2) trong SHP2, Grb2 và CSK, và sửa đổi một số con đường tín hiệu trong tế bào biểu mô dạ dày, dẫn đến những thay đổi bất thường về bộ khung tế bào, sự tăng sinh và biệt hóa tế bào cũng như sự cảm ứng các cytokine gây viêm. Mức độ kích hoạt của các con đường hạ lưu phụ thuộc vào loại motif EPIYA của CagA và số lượng bản sao.
Các motif EPIYA rất khác nhau giữa các chủng H. pylori và được phân loại thành bốn loại dựa trên sự biến đổi của các vùng lân cận và thứ tự của các đoạn xen kẽ. Bốn loại mô típ EPIYA là EPIYA-A, -B, -C và -D. CagA trong các chủng H. pylori phương Tây chứa các mô típ EPIYA-A, EPIYA-B và EPIYA-C. Ngược lại, CagA từ các chủng H. pylori Đông Á có EPIYA-A, EPIYA-B và EPIYA-D, nhưng không có mô típ EPIYA-C. Higashi và cộng sự báo cáo rằng đoạn EPIYA-C bao gồm 34 dư lượng acid amin lặp lại khác nhau. Các mô típ này ở đầu C của CagA làm tăng tính đa hình của nó và hiện diện dưới dạng các chuỗi lặp lại nối tiếp thay đổi từ một đến bảy.
Mức độ phosphoryl hóa và các tác dụng được thấy trong các tế bào biểu mô dạ dày tỷ lệ thuận với số lượng mô típ EPIYA. Vì CagA hiếm khi chứa đồng thời cả hai motif EPIYA-C và EPIYA-D, nên EPIYA-C được coi là đặc trưng của CagA phương Tây, trong khi EPIYA-D là đặc điểm của CagA Đông Á. CagA Đông Á có khả năng liên kết với SHP-2 mạnh hơn, điều này mang lại khả năng gây rối loạn chức năng tế bào mạnh mẽ hơn, điều này có thể giải thích sự khác biệt về tỷ lệ mắc ung thư dạ dày ở Đông Á so với các nước phương Tây.
CagA cũng được báo cáo là có tác động lên các tế bào biểu mô theo cách độc lập với quá trình phosphoryl hóa tyrosine. CagA có một mô típ lặp lại được bảo tồn, chịu trách nhiệm cho hoạt động độc lập với quá trình phosphoryl hóa (CRPIA: FPLKRHDKVDDLSKVG), ở vùng C-terminal của nó, khác với các mô típ EPIYA. Mô típ CRPIA trong CagA không được phosphoryl hóa tương tác với c-Met, thụ thể yếu tố phân tán của yếu tố tăng trưởng tế bào gan, đóng vai trò trong sự phát triển xâm lấn của các tế bào tân sinh. CagA liên kết với c-Met, sau đó c-Met liên kết với phospholipase Cγ (PLCγ) và kích hoạt tín hiệu phosphatidylinositol 3-kinase/Akt.
Điều này khởi phát tín hiệu β-catenin và NF-κB, dẫn đến sự tăng sinh và viêm nhiễm. Protein liên kết thụ thể yếu tố tăng trưởng 2 (Grb2) cũng tương tác với CagA độc lập với quá trình phosphoryl hóa tyrosine và tương tác này kích thích con đường Ras/MEK/ERK để gây ra sự phân tán và tăng sinh tế bào.
Sự hỗ trợ cho vai trò của CagA như một “Oncoprotein” đã được thu thập từ nhiều quan sát. Một nghiên cứu của nhóm Peek bao gồm chuột nhảy Mông Cổ bị nhiễm chủng gây ung thư 7.13 đã dẫn đến chứng loạn sản dạ dày và ung thư ở hơn 50% chuột nhảy bị nhiễm chủng hoang dại. Trong nghiên cứu đó, không có con chuột nhảy nào bị nhiễm chủng đột biến CagA − phát triển các tổn thương tiền ung thư này. Nhiều nghiên cứu trong đó gen CagA của H. pylori được chuyển vào tế bào đã chỉ ra rằng sự biểu hiện của nó ảnh hưởng đáng kể đến các tế bào được chuyển. Trong một báo cáo, CagA được chuyển vào tế bào biểu mô dạ dày người cho thấy CagA nhắm mục tiêu vào partitioning-defective 1 (PAR1).
Tương tác CagA-PAR1 gây ra các khiếm khuyết về liên kết và phân cực, giải phóng tế bào khỏi các tín hiệu ức chế tăng trưởng và thúc đẩy sự hình thành khối u. Sử dụng phương pháp chuyển gen, một nhóm khác đã chứng minh rằng CagA tương tác với E-cadherin và làm xáo trộn sự hình thành phức hợp E-cadherin/β-catenin, dẫn đến sự tích tụ β-catenin trong tế bào chất và nhân, đồng thời kích hoạt tín hiệu β-catenin. Trong nghiên cứu đó, các tế bào được chuyển gen CagA biểu hiện các phân tử đặc hiệu ruột như một dấu hiệu của sự chuyển biệt hóa ruột của các tế bào biểu mô dạ dày.
Một quá trình khác mà CagA thúc đẩy ung thư dạ dày đã được báo cáo gần đây, trong đó sự phosphoryl hóa CagA ảnh hưởng đến hệ thống ubiquitin-proteasome bằng cách liên kết với các ligase ubiquitin E3 SIVA1 và ULF. Sự tương tác đó gây ra sự hoạt hóa ULF, và sự thoái hóa của SIVA1 và chất ức chế khối u p14ARF. Sự ức chế ARF dẫn đến ức chế quá trình “Apoptosis” và phản ứng căng thẳng gây ung thư, thúc đẩy ung thư. Có lẽ nghiên cứu thuyết phục nhất được báo cáo bởi Ohnishi và cộng sự, đã tạo ra chuột chuyển gen biểu hiện CagA loại hoang dã hoặc kháng phosphoryl hóa. Những con chuột biểu hiện CagA loại hoang dã phát triển chứng tăng sản biểu mô dạ dày và một số phát triển polyp dạ dày và ung thư biểu mô tuyến.
Đáng chú ý, một số chuột chuyển gen CagA loại hoang dã phát triển các bệnh ác tính về huyết học như bệnh bạch cầu tủy và u lympho tế bào B. Ngược lại, những con chuột biểu hiện CagA kháng phosphoryl hóa không có bằng chứng về những bất thường bệnh lý này. Những quan sát này đã dẫn đến việc CagA được coi là một oncoprotein vi khuẩn quan trọng trong bệnh ung thư ở người.
Một sản phẩm vi khuẩn khác được chuyển bởi T4SS vào các tế bào biểu mô dạ dày là peptidoglycan, được nhận biết bởi NOD1 (Nucleotide Binding Oligomerization Domain Containing 1), một thụ thể nhận dạng mẫu tế bào chất, được biểu hiện dồi dào trong các tế bào biểu mô dạ dày. Sự hoạt hóa NOD1 dẫn đến sự hoạt hóa NF-κB và sản xuất cytokine gây viêm.
Độc tố gây tạo không bào (VacA)
Độc tố gây tạo lỗ chân lông (VacA) của H. pylori là một yếu tố độc lực được tiết ra quan trọng mà không có chất tương đồng nào được biết đến ở các loài vi khuẩn khác ngoại trừ H. cetorum , một loài Helicobacter được tìm thấy trong dạ dày của động vật có vú biển. Độc tố VacA là một độc tố tạo lỗ chân lông do H. pylori tiết ra và có tác dụng đa dạng lên các tế bào vật chủ. Các lỗ chân lông do VacA gây ra trong màng của lớp biểu mô dạ dày dẫn đến sự rò rỉ các phân tử nhỏ và ion từ các tế bào. Tổn thương này đối với các tế bào làm gián đoạn chức năng hàng rào của biểu mô, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập và xâm chiếm dạ dày. VacA cũng có thể gây ra hiện tượng Apoptosis ở các tế bào miễn dịch và tế bào biểu mô dạ dày. Điều này góp phần gây viêm dạ dày và sự tiến triển của các bệnh liên quan đến H. pylori. VacA cũng điều chỉnh phản ứng miễn dịch của vật chủ đối với H. pylori bằng cách ức chế sự hoạt hóa của các tế bào miễn dịch cụ thể và ức chế sản xuất cytokine. Điều này cho phép H. pylori trốn tránh sự thanh lọc qua trung gian miễn dịch và thiết lập một nhiễm trùng dai dẳng trong dạ dày.
VacA được tổng hợp lần đầu tiên dưới dạng tiền độc tố 140 kDa với peptide tín hiệu đầu N, vùng trung tâm đại diện cho độc tố và đầu C đóng vai trò trung gian vận chuyển. Vùng trung tâm (khoảng 88 kDa), dạng độc tố trưởng thành gây bệnh, được tiết ra sau quá trình xử lý và tiếp tục được phân cắt thành tiểu đơn vị A và tiểu đơn vị B có trọng lượng phân tử lần lượt là 33 và 55 kDa. Dạng p33 ban đầu được coi là tiểu đơn vị tạo lỗ và dạng p55 được cho là có chức năng liên kết tế bào. Tuy nhiên, cả hai tiểu đơn vị đều liên kết và tạo thành không bào. VacA của H. pylori liên kết với sphingomyelin trên các bè lipid và sau đó được nội bào hóa thông qua con đường không phụ thuộc clathrin.
VacA được đưa đến các endosome sớm, được định hướng bởi các sao chổi F-actin để tích hợp vào các túi vận động hợp nhất với ty thể hoặc endosome muộn, nơi VacA gây ra “Apoptosis” hoặc hình thành không bào tương ứng. VacA có nhiều tác động gây hại đến ty thể, bao gồm kích hoạt các protein gây apoptosis Bax và Bak, giải phóng Cytochrome c và phân mảnh ty thể, cuối cùng dẫn đến chết tế bào.
Mặc dù tất cả chủng H. pylori đều có gen vacA, nhưng gen này có sự đa dạng đáng kể, bao gồm năm vùng dị hợp tử với sự khác biệt đáng kể về trình tự. Ba vùng đầu tiên được xác định tương ứng với trình tự tín hiệu (s), vùng giữa (m) và vùng trung gian (i). Có hai kiểu gen cho s (s1a-c, s2), bốn kiểu gen cho m (m1a, m1b, m1c và m2) và ba kiểu gen cho vùng i (được chia thành i1a, i1b và i2). Gần đây hơn, vùng xóa d (d1 và d2) và vùng c (c1 và c2), tương ứng với sự xóa 15 bp ở đầu 3′ của miền p55 của gen vacA đã được mô tả. Vùng peptide tín hiệu của VacA cung cấp hoạt động tạo không bào và tính đặc hiệu mục tiêu. Vùng s2 chứa một chuỗi N-terminal bổ sung gồm 12 axit amin giúp loại bỏ sự hình thành các kênh chọn lọc anion và sự hình thành không bào trong tế bào.
Trong khi kiểu gen VacA s1/m1 và s1/m2 gây ra tình trạng viêm mãn tính nghiêm trọng hơn so với các kiểu gen khác, các chủng H. pylori có VacA m1 đại diện cho một yếu tố nguy cơ cao hơn đối với loét dạ dày và kiểu gen VacA s1 và m1 có liên quan đến bệnh lý cao hơn, bao gồm sự xâm nhập đáng kể của bạch cầu trung tính và tế bào lympho, teo dạ dày và dị sản ruột.
Nhóm của Yamaoka chỉ ra rằng tổ hợp alen vacAs1i1m1 có liên quan chặt chẽ với sự tồn tại của CagA và một nghiên cứu gần đây của Chang và cộng sự đã chứng minh các chủng biểu hiện đồng thời cả vacAs1m1 và cagA có nguy cơ gây ra tổn thương tiền ung thư cao gấp 4,8 lần so với các chủng H. pylori khác. Vùng i nằm giữa vùng s và vùng m, và có liên quan đến tính đa hình và ung thư dạ dày. Vùng m có một đoạn 148 acid amin xác định đặc tính liên kết tế bào của VacA. Vai trò của vùng c và vùng d trong sinh học của VacA hiện vẫn chưa được biết.
VacA rất quan trọng đối với khả năng né tránh hệ miễn dịch của vật chủ của H. pylori vì nó có thể tác động lên một số tế bào miễn dịch ảnh hưởng đến miễn dịch bẩm sinh và thích ứng. VacA làm suy yếu chức năng của đại thực bào, bạch cầu ái toan (BCAT), tế bào mast, tế bào dendritic và tế bào lympho. Do tác động của nó lên quá trình vận chuyển nội bào, VacA can thiệp vào quá trình xử lý kháng nguyên bởi tế bào B. Molinari và cộng sự chỉ ra rằng VacA làm gián đoạn quá trình xử lý phân giải protein của kháng nguyên và ức chế con đường trình diện kháng nguyên phụ thuộc Ii, liên quan đến các phân tử MHC lớp II mới được tổng hợp trong nội bào.
Đại thực bào, một loại tế bào trình diện kháng nguyên chuyên nghiệp khác, cũng bị VacA làm gián đoạn khả năng xử lý kháng nguyên vì độc tố này gây ra sự hình thành các túi lớn được gọi là megasome, làm suy yếu quá trình trưởng thành và chức năng của các ngăn nội bào. VacA cũng làm suy yếu tế bào T vì nó ngăn chặn hiệu quả sự tăng sinh của tế bào T bằng cách gây ra sự ngừng chu kỳ tế bào G1/S. VacA đã được chứng minh là chặn con đường tín hiệu thụ thể tế bào T/interleukin-2 (IL-2) tại phosphatase phụ thuộc Ca++ -calmodulin calcineurin.
Những tác động này của VacA lên các tế bào miễn dịch chắc chắn góp phần vào việc né tránh miễn dịch của H. pylori và làm nổi bật vai trò quan trọng của nó trong cơ chế bệnh sinh của các bệnh liên quan đến H. pylori .
Protein kích hoạt bạch cầu trung tính của H. pylori (HP-NAP)
HP-NAP, hay NapA là một yếu tố độc lực quan trọng khác của H. pylori. HP-NAP là một protein được bảo tồn cao được mã hóa bởi gen napA được biểu hiện bởi hầu hết các chủng H. pylori. Nó là một protein gồm 164 acid amin được tiết ra bởi H. pylori và có thể được tìm thấy cả trong thành tế bào vi khuẩn và môi trường ngoại bào. Cấu trúc ba chiều của NAP được Zanotti và cộng sự mô tả là có cấu trúc bậc bốn bao gồm một dodecamer hình cầu chứa các tiểu đơn vị giống hệt nhau có khối lượng ~17 kDa với cấu trúc bó bốn xoắn ốc tương tự như ferritin của vi khuẩn. HP-NAP là một protein đa chức năng đã được chứng minh là tương tác với nhiều tế bào và điều chỉnh khả năng miễn dịch của vật chủ.
Một trong những chức năng quan trọng của HP-NAP là khả năng kích hoạt bạch cầu đa nhân trung tính để tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS) và các loại nitơ phản ứng (RNS) và bám dính vào các tế bào nội mô. ROS và RNS do H. pylori gây ra có thể gây tổn thương DNA và đột biến dẫn đến khởi phát ung thư. HP-NAP kích hoạt bạch cầu đa nhân trung tính bằng cách liên kết với các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt của chúng, chẳng hạn như thụ thể peptide formyl 1 (FPR1) và thụ thể giống toll 2 (TLR2), kích thích giải phóng ROS, RNS và cytokine gây viêm. Một báo cáo gần đây cho thấy HP-NAP có thể gây ra sự hình thành bẫy ngoại bào bạch cầu trung tính (NETs), một cơ chế mới của hệ thống phòng thủ chủ thể do BCĐNTT trung gian.
Việc sản xuất cytokine bởi các bạch cầu trung tính được kích hoạt bởi HP-NAP dẫn đến việc tuyển thêm BCĐNTT đến vị trí nhiễm trùng. Các phản ứng miễn dịch nhằm mục đích loại bỏ H. pylori. Tuy nhiên, chúng cũng có thể gây ra tổn thương thứ phát cho niêm mạc dạ dày, dẫn đến viêm và tổn thương mô, đây là những kết quả liên quan đến HP-NAP trong ung thư dạ dày. Một cơ chế mà HP-NAP thúc đẩy tổn thương mô là thông qua việc kích thích BCĐNTT sản xuất lượng lớn các gốc oxy, có liên quan đến sinh lý bệnh của ung thư dạ dày. Nhìn chung, tình trạng viêm mạn tính của niêm mạc dạ dày là một yếu tố đóng góp quan trọng vào sự phát triển của các bệnh liên quan đến H. pylori, bao gồm cả ung thư dạ dày.
Ngoài ảnh hưởng đến các tế bào miễn dịch bẩm sinh, HP-NAP còn ảnh hưởng đến phản ứng miễn dịch thích ứng. HP-NAP vượt qua hàng rào biểu mô và thúc đẩy sự lệch hướng của phản ứng tế bào T hỗ trợ CD4+ (Th) sang phản ứng Th1 bằng cách gây ra sự sản xuất IL-12 và IL-23 bởi BCĐNTT, tế bào đơn nhân và tế bào hình tua. Những cytokine này thúc đẩy sự biệt hóa của tế bào đơn nhân thành tế bào hình tua (DC) trưởng thành. DC phản ứng với HP-NAP bằng cách tăng biểu hiện các phân tử MHC lớp II và sản xuất IL-12 để thúc đẩy sự phân cực của tế bào Th1. Điều quan trọng cần lưu ý là IL-23 được sản xuất để đáp ứng với HP-NAP có thể thúc đẩy sự phát triển của Th17 và sản xuất Interleukin-17 (IL-17). IL-17 là một cytokine gây viêm quan trọng trong phản ứng miễn dịch đối với nhiễm trùng do vi khuẩn. IL-17 có thể góp phần vào việc tuyển dụng BCĐNTT và loại bỏ nhiễm trùng H. pylori. Tuy nhiên, việc sản sinh quá mức IL-17 cũng có thể góp phần gây ra viêm mãn tính và tổn thương mô.
(Hết Phần 3) ---> (Tiếp theo Phần 4)
TS.BS. Huỳnh Hồng Quang & Ths.Bs. Châu Văn Khánh
Viện Sốt rét-KST-CT Quy Nhơn