科學家首次發現致病大腸桿菌會往腸細胞中注射新型毒素，破壞腸細胞DNA，促進癌症的發生

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不要貼貼，不要貼貼，貼貼危險，還是密接。

我們的腸上皮細胞是真的不想和致病菌發生密切接觸。

近日，來自約翰霍普金斯大學的Fangyi Wan教授及其團隊，在著名期刊Cancer Discovery上發表了一項重要研究成果［1］。

他們發現腸道中的黏附型致病菌可以透過其3型分泌系統（T3SS）與腸上皮細胞連線，並注入基因毒素（genotoxin）UshA破壞宿主腸上皮細胞中的DNA，導致細胞癌變以及腸癌的發生。

論文首頁截圖

每個人的腸道里免不了會有一些致病菌在伺機而動搞破壞。服用抗生素、吃了奇怪的食物或者旅行過程中我們容易出現腹瀉的現象，就是由於腸道菌群平衡被打亂，致病菌藉機大量複製，擾亂了腸上皮細胞的緊密連線和代謝活動。

更值得注意的是，在全球每年新發結直腸癌患者中，有200萬人曾有過輕度到中度的腹瀉、嘔吐等食物中毒症狀。這些患者的食物中毒症狀是由哪些致病菌引起的？食物中毒和腸癌的發生有沒有直接關聯？搞清楚這些問題可能會對癌症的早期診斷起到重要作用。

實際上，已經有一些腸道菌上了科學家們的“致癌”黑名單。有研究表明，脆弱擬桿菌、具核梭桿菌以及大腸桿菌能夠表達聚酮化合物合酶，干擾細胞週期，誘發癌症或者加速腸癌的惡化［2］。

尤其是腸致病性大腸桿菌（EPEC）和腸出血性大腸桿菌（EHEC）這兩種大腸桿菌，是造成腹瀉、出血的兩大元兇，也具備潛在的致癌能力。它們可以穿過凝膠樣的黏液層，黏附甚至侵入腸上皮細胞，直接靶向攻擊宿主細胞，造成腸道損傷。然而關於這兩類大腸桿菌致癌的具體分子機制我們還知之甚少。

為了解決這一難題，Wan教授及其團隊利用檸檬酸桿菌（Citrobacter rodentium，CR）小鼠感染模型模擬人體EPEC、EHEC感染，來評估黏附型致病菌誘導腸癌的能力。

科學家已經知道，CR、EHEC和EPEC都是透過3型分泌系統（T3SS）這個蛋白複合物和腸道上皮細胞連線的［3］。Wan教授團隊在動物實驗中發現，當缺失了這一分泌系統後，CR突變株仍能在無菌小鼠的腸道中正常增殖，但是大部分無法錨定在腸道上皮細胞上，而且這一突變株感染的小鼠腸上皮細胞DNA結構未檢測到損傷。

野生型CR菌株和T3SS缺陷的CR菌株感染小鼠後不同時間點在糞便中的活菌量（左）以及在小腸上皮的黏附情況（B）

由這一實驗結果研究人員們想到，CR可能是藉助T3SS這一金字塔型的通道結構，向上皮細胞裡分泌了某些破壞DNA的毒力蛋白。藉助氨基酸同位素標記和質譜檢測的方法，科研人員們獲得了T3SS所分泌的蛋白庫，並分析了每種蛋白的分泌量、潛在功能，發現其中具備消化或破壞DNA結構的能力的蛋白多達11種。

科研人員們進一步合成了這些蛋白，分別將每種蛋白與Lambda DNA在體外共孵育，以驗證它們對DNA的破壞能力。其中UshA這一蛋白憑一己之力就導致超過50%的DNA損傷（以脫氧核糖核酸酶Dnase I消化的DNA為100%）。

而且UshA這一蛋白在表達T3SS的黏附型致病菌相當保守，CR、EHEC、EPEC這三種致病菌都表達高度同源的UshA。科研人員對這些菌株的UshA基因分別進行了敲除和回補，並用野生菌株、UshA缺陷菌株和回補UshA後的菌株感染同一細胞系SW480，發現只有表達UshA的菌株才能破壞細胞系的DNA。

Lambda DNA分別與CR表達的UshA蛋白、UshA基因點突變後的缺陷蛋白UshADM或DNA酶共孵育20分鐘後DNA的消化百分率

接下來的一步，就是驗證CR在小鼠體內是否仍然依靠UshA破壞宿主細胞DNA。與UshA突變株相比，CR野生型或攜帶UshA回補基因的CR菌株，對小鼠腸上皮細胞造成了更為顯著的基因毒性損傷，這說明UshA在小鼠體內同樣是破壞腸上皮細胞DNA的元兇。

眾所周知，腸上皮細胞的DNA損傷積累到一定程度會引起腫瘤的生髮。

Wan教授團隊選擇使用ApcMinΔ716/+這一小鼠模型（一種對環境變化誘發的癌症更為敏感的基因突變小鼠），檢驗UshA在腸上皮細胞中引發的DNA損傷，經過長期積累會不會誘發腫瘤的出現。

CR野生型、UshA突變株以及回補UshA後的CR菌株感染ApcMinΔ716/+小鼠後，腸道中的CR細菌載量在第４天達到最高峰，在感染35天后已被完全清除。

然而當Wan教授團隊對比感染後3個月的腸道結構時發現，CR野生株感染過的ApcMinΔ716/+小鼠體內出現了大量腫瘤，腸道炎症和結構損傷嚴重。而感染UshA突變株的小鼠腸道內腫瘤的大小雖然與感染野生型CR的小鼠差別不大，但腫瘤數量卻遠遠低於後者。而回補UshA的CR菌株感染後誘發的腫瘤數量和CR野生型感染組的腫瘤數量類似。

野生型CR、UshA基因缺陷的CR菌株以及回補UshA後的CR菌株感染小鼠56天后對直腸進行亞甲藍染色，深色代表腫瘤部位

總而言之，這類T3SS致病菌黏附、放毒、致癌這一整個大動作可以說是非常“不講武德了”。哪怕宿主免疫系統再厲害，把病原物清乾淨了，但是病原物誘導的DNA損傷還是可以持續積累，讓宿主患癌風險增加。

這也提醒我們，面對這種“無賴”致病菌，清除只是一方面，探測它們是否引起了腸上皮細胞中的點突變並及時干預，是阻止後續腫瘤發生的關鍵。

雖然體內實驗僅使用了小鼠模型，但UshA誘導的小鼠腸癌細胞基因中的單鹼基取代模式和結腸癌病人癌細胞中的基因突變模式有一定的重合，因此這一研究對細菌感染引發人結腸癌的生髮和發展也有一定的指導意義。

參考文獻

1。 Liu Y， Fu K， Wier EM， et al。 Bacterial Genotoxin Accelerates Transient Infection-Driven Murine Colon Tumorigenesis。 Cancer Discov。 2022；12（1）：236-249。 doi：10。1158/2159-8290。CD-21-0912。

2。 Nougayrede JP， Homburg S， Taieb F， Boury M， Brzuszkiewicz E， Gottschalk G， et al。 Escherichia coli induces DNA double-strand breaks in eukaryotic cells。 Science 2006；313（5788）：848-51 doi 10。1126/science。1127059。

3。 Deng W， Puente JL， Gruenheid S， Li Y， Vallance BA， Vazquez A， et al。 Dissecting virulence： systematic and functional analyses of a pathogenicity island。 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2004；101（10）：3597-602 doi 10。1073/pnas。0400326101。