Cancer Discovery：科学家首次发现致病大肠杆菌会往肠细胞中注射新型毒素，破坏肠细胞DNA，促进癌症的发生

近日，来自约翰霍普金斯大学的Fangyi Wan教授及其团队，在著名期刊Cancer Discovery上发表了一项重要研究成果。

他们发现肠道中的黏附型致病菌可以通过其3型分泌系统（T3SS）与肠上皮细胞连接，并注入基因毒素（genotoxin）UshA破坏宿主肠上皮细胞中的DNA，导致细胞癌变以及肠癌的发生。

每个人的肠道里免不了会有一些致病菌在伺机而动搞破坏。服用抗生素、吃了奇怪的食物或者旅行过程中我们容易出现腹泻的现象，就是由于肠道菌群平衡被打乱，致病菌借机大量复制，扰乱了肠上皮细胞的紧密连接和代谢活动。

更值得注意的是，在全球每年新发结直肠癌患者中，有200万人曾有过轻度到中度的腹泻、呕吐等食物中毒症状。这些患者的食物中毒症状是由哪些致病菌引起的？食物中毒和肠癌的发生有没有直接关联？搞清楚这些问题可能会对癌症的早期诊断起到重要作用。

实际上，已经有一些肠道菌上了科学家们的“致癌”黑名单。有研究表明，脆弱拟杆菌、具核梭杆菌以及大肠杆菌能够表达聚酮化合物合酶，干扰细胞周期，诱发癌症或者加速肠癌的恶化[2]。

尤其是肠致病性大肠杆菌（EPEC）和肠出血性大肠杆菌（EHEC）这两种大肠杆菌，是造成腹泻、出血的两大元凶，也具备潜在的致癌能力。它们可以穿过凝胶样的黏液层，黏附甚至侵入肠上皮细胞，直接靶向攻击宿主细胞，造成肠道损伤。然而关于这两类大肠杆菌致癌的具体分子机制我们还知之甚少。

为了解决这一难题，Wan教授及其团队利用柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium，CR）小鼠感染模型模拟人体EPEC、EHEC感染，来评估黏附型致病菌诱导肠癌的能力。

科学家已经知道，CR、EHEC和EPEC都是通过3型分泌系统（T3SS）这个蛋白复合物和肠道上皮细胞连接的[3]。Wan教授团队在动物实验中发现，当缺失了这一分泌系统后，CR突变株仍能在无菌小鼠的肠道中正常增殖，但是大部分无法锚定在肠道上皮细胞上，而且这一突变株感染的小鼠肠上皮细胞DNA结构未检测到损伤。

由这一实验结果研究人员们想到，CR可能是借助T3SS这一金字塔型的通道结构，向上皮细胞里分泌了某些破坏DNA的毒力蛋白。借助氨基酸同位素标记和质谱检测的方法，科研人员们获得了T3SS所分泌的蛋白库，并分析了每种蛋白的分泌量、潜在功能，发现其中具备消化或破坏DNA结构的能力的蛋白多达11种。

科研人员们进一步合成了这些蛋白，分别将每种蛋白与Lambda DNA在体外共孵育，以验证它们对DNA的破坏能力。其中UshA这一蛋白凭一己之力就导致超过50%的DNA损伤（以脱氧核糖核酸酶Dnase I消化的DNA为100%）。

而且UshA这一蛋白在表达T3SS的黏附型致病菌相当保守，CR、EHEC、EPEC这三种致病菌都表达高度同源的UshA。科研人员对这些菌株的UshA基因分别进行了敲除和回补，并用野生菌株、UshA缺陷菌株和回补UshA后的菌株感染同一细胞系SW480，发现只有表达UshA的菌株才能破坏细胞系的DNA。

接下来的一步，就是验证CR在小鼠体内是否仍然依靠UshA破坏宿主细胞DNA。与UshA突变株相比，CR野生型或携带UshA回补基因的CR菌株，对小鼠肠上皮细胞造成了更为显着的基因毒性损伤，这说明UshA在小鼠体内同样是破坏肠上皮细胞DNA的元凶。

众所周知，肠上皮细胞的DNA损伤积累到一定程度会引起肿瘤的生发。

Wan教授团队选择使用ApcMinΔ716/+这一小鼠模型（一种对环境变化诱发的癌症更为敏感的基因突变小鼠），检验UshA在肠上皮细胞中引发的DNA损伤，经过长期积累会不会诱发肿瘤的出现。

CR野生型、UshA突变株以及回补UshA后的CR菌株感染ApcMinΔ716/+小鼠后，肠道中的CR细菌载量在第４天达到最高峰，在感染35天后已被完全清除。

然而当Wan教授团队对比感染后3个月的肠道结构时发现，CR野生株感染过的ApcMinΔ716/+小鼠体内出现了大量肿瘤，肠道炎症和结构损伤严重。而感染UshA突变株的小鼠肠道内肿瘤的大小虽然与感染野生型CR的小鼠差别不大，但肿瘤数量却远远低于后者。而回补UshA的CR菌株感染后诱发的肿瘤数量和CR野生型感染组的肿瘤数量类似。（生物谷Bioon.com）