化学致癌作用(本科)

1、1化学致癌作用化学致癌作用Chemical Carcinogenesis 2010年年10月月2讲讲 授授 内内 容容n 肿瘤流行病学和病因学肿瘤流行病学和病因学n 化学致癌多阶段学说化学致癌多阶段学说n 化学致癌机制化学致癌机制n 与化学致癌相关的分子事件与化学致癌相关的分子事件n 致癌物分类致癌物分类n 化学毒物致癌性的判别化学毒物致癌性的判别n 毒理学试验的策略转变毒理学试验的策略转变3癌症发病癌症发病4我国癌症死亡我国癌症死亡 年份年份死亡数死亡数 1994130万万 2000140万万 2025270万万现今活着的现今活着的12亿人口中预计亿人口中预计2亿将死于癌症亿将死于癌症5肿瘤

2、细胞肿瘤细胞正常细胞为什么会转化成肿瘤细胞？正常细胞为什么会转化成肿瘤细胞？肿瘤细胞肿瘤细胞正常细胞正常细胞基因基因异常异常外源性因素外源性因素内源性因素内源性因素化学因素化学因素物理因素物理因素致瘤病毒致瘤病毒霉菌毒素霉菌毒素遗传因素遗传因素6病因学病因学化学因素：多环芳烃、芳香胺及偶氮染料类、化学因素：多环芳烃、芳香胺及偶氮染料类、亚硝胺类、植物毒素和金属类亚硝胺类、植物毒素和金属类物理因素：电离辐射、阳光与紫外线、热辐物理因素：电离辐射、阳光与紫外线、热辐射、机械剌激射、机械剌激生物因素：病毒（宫颈癌、鼻咽癌）、霉菌生物因素：病毒（宫颈癌、鼻咽癌）、霉菌毒素（肝癌）、寄生虫（大肠癌、肝癌

3、）毒素（肝癌）、寄生虫（大肠癌、肝癌）遗传因素遗传因素7化学致癌过程化学致癌过程一个一个多因素多因素、多基因多基因参与的参与的多阶段多阶段过程过程致癌的过程大致分为三个阶段：致癌的过程大致分为三个阶段： 启动启动(initiation) 促进促进(promotion) 进展进展(progression) 组织细胞的病理改变从增生、组织细胞的病理改变从增生、异型变、良性肿瘤、原位癌发展到异型变、良性肿瘤、原位癌发展到浸润癌和转移癌；浸润癌和转移癌； 而在体外细胞水平上则要经过而在体外细胞水平上则要经过永生化、分化逆转、转化等多个阶永生化、分化逆转、转化等多个阶段。段。8致癌过程有多种基因参与：致

4、癌过程有多种基因参与：1. 原癌基因：原癌基因：Ras, Myc2. 肿瘤抑制基因：肿瘤抑制基因：P53, pRB3. 凋亡相关基因：凋亡相关基因：Bcl-24. DNA修复基因：修复基因：BRCA1, MSH1, ATM9人类结肠癌多阶段模型人类结肠癌多阶段模型Vogelstein, B., et al. Genetic alterations during colorectal-tumor development. N. Engl. J. Med. 319:525, 1988. 化学致癌作用的机制化学致癌作用的机制表观遗传表观遗传变异变异DNA损伤损伤增殖异常增殖异常凋亡抑制凋亡抑制11化

5、学致癌学说：化学致癌学说：一、亲电子剂学说二、体细胞突变学说三、癌基因学说四、癌变的阶段学说12体细胞突变学说体细胞突变学说 理论依据：理论依据：j致癌物活化代谢后生成的致癌物活化代谢后生成的DNA加合物诱导基因突变；加合物诱导基因突变；k大多数的致癌物在致突变实验中呈阳性；大多数的致癌物在致突变实验中呈阳性；lDNA修复缺陷可以导致肿瘤发生，如着色性干皮病、修复缺陷可以导致肿瘤发生，如着色性干皮病、毛细血管扩张性共济失调等；毛细血管扩张性共济失调等；m在许多肿瘤组织中发生染色体畸变或基因组不稳定在许多肿瘤组织中发生染色体畸变或基因组不稳定性；性；n肿瘤细胞来源于单细胞克隆；肿瘤细胞来源于单细

6、胞克隆；n癌基因的突变以及抑癌基因突变或缺失在肿瘤细胞癌基因的突变以及抑癌基因突变或缺失在肿瘤细胞中普遍存在，而且突变的基因型可以通过细胞分裂中普遍存在，而且突变的基因型可以通过细胞分裂传递给子代细胞。传递给子代细胞。 13肿瘤细胞群体来自单一细胞的克隆肿瘤细胞群体来自单一细胞的克隆 最初一个关键基因或一系列事件导致某一细最初一个关键基因或一系列事件导致某一细胞向肿瘤方向转化，形成不可控制的细胞增殖，胞向肿瘤方向转化，形成不可控制的细胞增殖，最后形成肿瘤。最后形成肿瘤。肿瘤发生的单克隆学说肿瘤发生的单克隆学说14癌变的二阶段学说癌变的二阶段学说： 细胞必须发生两次突变才能形成肿瘤。遗传性肿瘤的

7、第一次突变发生在生殖细胞内，并遗传给后代，后代体细胞又一次发生突变，使细胞转化。遗传性视网膜母细胞瘤遗传性视网膜母细胞瘤散发性视网膜母细胞瘤散发性视网膜母细胞瘤双侧早发家族性单侧晚发散发性Knudson： two hit hypothesis 化学致癌物诱发的肿瘤与特定的基因改变有关化学致癌物诱发的肿瘤与特定的基因改变有关 与化学致癌物类型有关与化学致癌物类型有关 烷化剂引起烷化剂引起G A置换置换 苯并芘引起苯并芘引起G T颠换颠换 与肿瘤类型有关与肿瘤类型有关 肺癌肺癌 K-Ras基因常见基因常见G T颠换颠换 结肠癌结肠癌K-Ras基因常见基因常见G A置换置换 原发肝癌原发肝癌P53基

8、因常见基因常见 249G T颠换颠换 结肠癌结肠癌P53基因常见基因常见 G A置换置换16 不同器官来源、不同组织类型、临床阶段不同器官来源、不同组织类型、临床阶段以至同一种肿瘤在不同地区所见的遗传变化是以至同一种肿瘤在不同地区所见的遗传变化是不同的。不同的。 多种环境致癌物，致癌因子或条件可协同多种环境致癌物，致癌因子或条件可协同作用：作用：体内：体内：活性氧或感染等活性氧或感染等 + 体外：体外：致癌致癌物物 累积作用累积作用或或协同效应协同效应 个体的不同遗传背景对肿个体的不同遗传背景对肿 瘤的发生发展有瘤的发生发展有重要影响：重要影响：DNA修复能力缺陷修复能力缺陷肿瘤易感肿瘤易感

9、17什么是癌基因（什么是癌基因（oncogene）?n细胞中与细胞中与v-src基因近缘的基因；基因近缘的基因；n指机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传指机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息，即癌基因的原型；信息，即癌基因的原型；n在正常情况下，原癌基因呈静止状态，对在正常情况下，原癌基因呈静止状态，对细胞无害且具有重要生物学功能，如调节细胞无害且具有重要生物学功能，如调节细胞生长、分化、增殖等功能。细胞生长、分化、增殖等功能。癌基因突变学说癌基因突变学说18癌基因的分类与功能癌基因的分类与功能按功能分：按功能分：1 1、生长因子家族、生长因子家族 v-Sisv-Sis2 2、跨膜酪氨酸激酶、

10、跨膜酪氨酸激酶 v-Rosv-Ros3 3、膜相关酪氨酸激酶、膜相关酪氨酸激酶 v-Srcv-Src4 4、丝氨酸、丝氨酸- -苏氨酸激酶苏氨酸激酶 v-Rafv-Raf5 5、RASRAS家族家族 v-H-Ras, v-K-Rasv-H-Ras, v-K-Ras6 6、核蛋白、核蛋白-v-Myc, v-Fos-v-Myc, v-Fos19按细胞内定位和生物学功能分类按细胞内定位和生物学功能分类：1. 生长因子生长因子, Int-22. 生长因子受体生长因子受体, EGFR3. 信号传导分子信号传导分子, Fas4. 转录因子转录因子, Myc5. 细胞凋亡基因细胞凋亡基因, Bcl-26.

11、细胞周期蛋白细胞周期蛋白, CDK420正常功能： 1与细胞生长有关 可促进生长 2潜在致癌性特定条件下： 原癌基因Proto-Oncogene 化学致癌物、病毒、放射线等 突变Mutation “激活”Activation 重排Rearrangement 过量表Over-expression 癌基因Oncogene 扩增Amplification 3个体生长、发育所必需 “看家基因”House Keeper Genes 进化上高度保守性 4仅在特定组织中具有潜在的致癌性 促进生长的功能 癌基因激活与肿瘤发生癌基因激活与肿瘤发生21抑癌基因抑癌基因(Tumor Suppressor Gene）

12、n又称肿瘤抑制基因（又称肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene），指对细胞生长、），指对细胞生长、增殖和分化起负性调节的基因增殖和分化起负性调节的基因;n参与参与DNA修复和细胞凋亡等过程。修复和细胞凋亡等过程。22抑癌基因：抑癌基因：P53P53基因生物学特性基因生物学特性 P53 P53 是细胞生长周期中的是细胞生长周期中的负调节因子，与细胞周期的调负调节因子，与细胞周期的调控、控、DNADNA修复、细胞分化、细修复、细胞分化、细胞凋亡等重要的生物学功能有胞凋亡等重要的生物学功能有关。关。23低氧低氧P53DNA损伤损伤（如辐射）（如辐射）癌基因的癌基因的激活激活P21抑

13、制周期蛋白依赖性抑制周期蛋白依赖性激酶激酶（CDK)阻断细胞周期运行阻断细胞周期运行DNA修复修复 DNADNA不能修复不能修复细胞重新进入细胞周期细胞重新进入细胞周期细胞凋亡细胞凋亡24Exon Codon PAH adductsCigarette mutationsSmoky coal mutations5154156157158159+7237245248249+8273+Cancer Research 61:6679-6681, 2001 P53 P53 基因突变热点基因突变热点人类肿瘤人类肿瘤P53基因突变热点和频率基因突变热点和频率26非致突变致癌机制：非致突变致癌机制：表表观遗传

14、变异观遗传变异 细胞异常增生细胞异常增生免疫抑制免疫抑制激素调控异常激素调控异常过氧化酶体增殖剂激活受体过氧化酶体增殖剂激活受体 27表观遗传的主要调控方式表观遗传的主要调控方式 DNA甲基化甲基化 组蛋白修饰组蛋白修饰 染色质重塑染色质重塑 非编码非编码RNA (microRNA, siRNA)28Feinberg A, Nature. 2007 May 24;447(7143):433-40表观遗传调控表观遗传调控29整个基因组整个基因组的普遍低甲的普遍低甲基化基化部分基因启部分基因启动子区动子区CpG岛高甲基化岛高甲基化基因的异常基因的异常激活或抑制激活或抑制基因组不稳定基因组不稳定性增

15、加性增加印记丢失印记丢失肿瘤细胞肿瘤细胞DNADNA甲基化特征和后果甲基化特征和后果30与化学致癌相关的分子事件与化学致癌相关的分子事件 基因突变基因突变端粒调控与细胞永生化端粒调控与细胞永生化细胞增殖细胞增殖细胞周期调控紊乱细胞周期调控紊乱细胞凋亡与肿瘤发生细胞凋亡与肿瘤发生31人体细胞人体细胞 转化试验转化试验 ST人体细胞人体细胞动物细胞动物细胞正常细胞正常细胞永生化细胞永生化细胞转化细胞转化细胞Hahn WC Nature, 1999 细胞永生化是癌变过程中的重要阶段细胞永生化是癌变过程中的重要阶段 细胞周期失调、端粒酶活化、癌抑基因失活细胞周期失调、端粒酶活化、癌抑基因失活端粒假说端

16、粒假说33n TelomereGenetic Clock34n Telomerase352. 细胞周期失调细胞周期失调 细胞周期关卡细胞周期关卡(cell cycle check point)36S SM MG2G2G1G1Cell cycle静止期(G0)37G2G2G1G1S SM MCell cyclecyclinscyclinsCDKcyclinsCDKCDKI38G2G2G1G1S SM MCell cycleDPE2FDNA synthesis-related genesE2FRbPE2FCyclin D1CDK4RbPPPPPRbPPPPPE2FE2FE2FE2FDPE2FDNA

17、 synthesis-related genes39细胞增殖与肿瘤发生细胞增殖与肿瘤发生40细胞凋亡与肿瘤细胞凋亡与肿瘤凋亡概念凋亡概念 凋亡凋亡（apoptosis)是活体内单个细胞的死亡。与基因调节有关，是活体内单个细胞的死亡。与基因调节有关，也称为程序性细胞死亡也称为程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD)，是由于细胞增殖与是由于细胞增殖与/或细胞死或细胞死亡调控功能失调所致。亡调控功能失调所致。细胞死亡的模式细胞死亡的模式坏死凋亡 凋亡的生理意义凋亡的生理意义n确保胚胎发生、确保胚胎发生、器官发育器官发育n调控正常细胞调控正常细胞的数量的数量n机体自身保护

18、机体自身保护和防御机制和防御机制凋亡的病理意义凋亡的病理意义n凋亡过度凋亡过度 Alzheimer病、病、肌萎缩肌萎缩n凋亡不足凋亡不足 恶性肿瘤恶性肿瘤42化学致癌物分类化学致癌物分类 致癌物致癌物：（：（carcinogencarcinogen） 组组1 1： 确证的人类致癌物确证的人类致癌物: :人类流行病人类流行病+ +动动 物物致癌致癌 组组2A2A：动物致癌物：动物致癌物( (可能致癌物可能致癌物) )：充分的动物：充分的动物实验证据实验证据 组组2B2B：可疑致癌物：动物实验与人类流行病不：可疑致癌物：动物实验与人类流行病不确证确证 组组3 3： 组组4 4： 非致癌物：目前无致

19、癌证据非致癌物：目前无致癌证据43 国际癌症研究中心（国际癌症研究中心（International agency for International agency for research on cancerresearch on cancer，IARCIARC）最新公布的对人致癌）最新公布的对人致癌性总评价表显示，性总评价表显示，已确证的人类致癌物为已确证的人类致癌物为107107种。种。 http:/monographs.iarc.fr/ENG/Classification/index.phpAgents Classified by the IARC Monographs, Volumes

20、 1100（May, 2010）致癌物（致癌物（IARC)字母顺序字母顺序.pdfnGroup 1 Carcinogenic to humans 107 agentsnGroup 2A Probably carcinogenic to humans 58 nGroup 2B Possibly carcinogenic to humans 249 nGroup 3 Not classifiable as to its carcinogenicity to humans 512 nGroup 4 Probably not carcinogenic to humans 1 44 致癌物分类（续）致癌

21、物分类（续） 按按作用机制作用机制 诱导突变致癌物：以诱导突变致癌物：以DNA为作用靶子的致癌物；为作用靶子的致癌物； 非诱导突变致癌物非诱导突变致癌物: 不改变不改变DNA碱基序列碱基序列 按按作用模式机制作用模式机制 直接致癌物直接致癌物(direct carcinogens) 间接致癌物间接致癌物(indirect carcinogens) 促癌物（促癌物（promotor）：如）：如TPA 45已知致癌物或生产方式已知致癌物或生产方式 靶器官靶器官黄曲霉毒素黄曲霉毒素 肝（肺）肝（肺）4-氨基酚氨基酚 膀胱膀胱砷及砷化合物砷及砷化合物 肺、皮肤肺、皮肤石棉石棉 肺、胸膜、腹膜（胃肠、咽

22、部）肺、胸膜、腹膜（胃肠、咽部）硫酸嘌呤硫酸嘌呤 淋巴系统、间质、肝胆系统、皮肤淋巴系统、间质、肝胆系统、皮肤苯苯 造血系统造血系统联苯胺联苯胺 膀胱膀胱N-N-双（双（2-氯乙基）氯乙基）-2-苯胺苯胺 膀胱膀胱双氯甲醚及工业级氯甲甲醚双氯甲醚及工业级氯甲甲醚 肺肺1,4,丁二醇丁二醇-二甲磺酸盐二甲磺酸盐 造血系统造血系统口服避孕药（复合）口服避孕药（复合） 肝肝口服避孕药（连续）口服避孕药（连续） 子宫子宫氡及其裂变产物氡及其裂变产物 肺肺含石棉纤维的滑石含石棉纤维的滑石 肺肺硫替哌硫替哌 造血系统造血系统Treosulphan 造血系统造血系统氯乙烯氯乙烯 肝、血管（肺、脑、淋巴系统）

23、肝、血管（肺、脑、淋巴系统）酒精饮料酒精饮料 咽、食管、肝、喉、口腔（乳房）咽、食管、肝、喉、口腔（乳房）含非那西丁的退热剂含非那西丁的退热剂 膀胱、肾膀胱、肾含烟草的槟榔含烟草的槟榔 口腔、咽喉、食管口腔、咽喉、食管煤焦油沥青煤焦油沥青 皮肤、肺、膀胱（咽、口腔）皮肤、肺、膀胱（咽、口腔）煤焦油煤焦油 皮肤、肺（膀胱）皮肤、肺（膀胱）46矿物油（轻度处理或不处理）矿物油（轻度处理或不处理） 皮肤（肺、膀胱、胃肠道）皮肤（肺、膀胱、胃肠道）页岩油页岩油 皮肤（胃肠道）皮肤（胃肠道）烟炱烟炱 皮肤、肺皮肤、肺 烟草制品（无烟）烟草制品（无烟） 口腔、咽、食管口腔、咽、食管烟草制品（有烟）烟草制品

24、（有烟） 肺、膀胱、口腔、咽喉、食管、胰、肾肺、膀胱、口腔、咽喉、食管、胰、肾铝生产铝生产 肺、膀胱（淋巴系统）肺、膀胱（淋巴系统）金胺生产金胺生产 膀胱（前列腺）膀胱（前列腺）鞋制造与修理鞋制造与修理 鼻腔、造血系统（咽、肺、肝、胃、肠鼻腔、造血系统（咽、肺、肝、胃、肠 道、膀胱）道、膀胱）煤气生产煤气生产 皮肤、肺、膀胱皮肤、肺、膀胱焦煤生产焦煤生产 皮肤、肺、肾皮肤、肺、肾硬木家具生产硬木家具生产 鼻腔鼻腔钢铁冶炼钢铁冶炼 肺（胃肠、生殖泌尿系统、造血系统）肺（胃肠、生殖泌尿系统、造血系统）异丙醇生产异丙醇生产 鼻腔（咽）鼻腔（咽）品红生产品红生产 膀胱膀胱职业油漆工职业油漆工 肺肺橡胶

25、业橡胶业 膀胱、造血系统（肺、胃肠道、皮肤、淋巴系统）膀胱、造血系统（肺、胃肠道、皮肤、淋巴系统）已知致癌物或生产方式已知致癌物或生产方式 靶器官靶器官47化学毒物致癌性的判别化学毒物致癌性的判别必须具备两个方面的证据：必须具备两个方面的证据：1. 1. 人群流行病学调查人群流行病学调查 要求：要求：不同地点不同地点、不同对象不同对象、不同的调不同的调查方法查方法2. 2. 动物实验动物实验 要求：要求：不同地点不同地点、不同动物种属不同动物种属 GLPGLP认证实验室进行认证实验室进行从定性和定量两个方面进行从定性和定量两个方面进行48致癌物判断的基本方法致癌物判断的基本方法一、短期试验一、

26、短期试验 致突变试验组合致突变试验组合 细胞转化试验细胞转化试验1. 哺乳动物短期致癌试验：小鼠肺、皮哺乳动物短期致癌试验：小鼠肺、皮肤肿瘤诱导、大鼠乳腺癌诱导、大鼠肤肿瘤诱导、大鼠乳腺癌诱导、大鼠肝转变灶试验肝转变灶试验491485种化学物致突变试验和致癌试验种化学物致突变试验和致癌试验结果一致性比较结果一致性比较n美国致癌性数据库 The Carcinogenic Potency Database(CPDB) / 50Ames实验致癌实验（大鼠）Ames实验和致癌实验都进行阳性阴性阳性率阳性阴性阳性率Ames阳性致癌阳性二者阳性34355

27、638.1534582529.49343345238共899种共1170种共721种p大鼠试验检测出的致癌物中Ames试验检出率为69.0%，Ames试验检出的致突变物中大鼠致癌试验的检出率为69.4%。p可见化合物在大鼠实验中Ames实验和致癌实验的一致性较高。51 短期试验注意问题：短期试验注意问题： 阳性结果意义较大；阳性结果意义较大； 阴性并不一定安全阴性并不一定安全：一些化合物可对：一些化合物可对于啮齿类动物具有致癌作用，而于啮齿类动物具有致癌作用，而Ames试验或其他诱变试验系统则呈现阴性；试验或其他诱变试验系统则呈现阴性； Ames试验与动物试验相关显著性最试验与动物试验相关显著性最高，特异性也最高，但敏感性最低；高，特异性也最高，但敏感性最低； 如何检出非诱变性致癌物？如何检出非诱变性致癌物？52二、动物长期诱癌试验动物长期诱癌试验 在判别化学物致癌性方面具有很高价值；在判别化学物致癌性方面具有很高价值； 与人群流行病学研究相比，更适于阐明与人群流行病学研究相比，更适于阐明 致癌机理，研究有关影响因素的作用；致癌机理，研究有关影响因素的作用； 可严格控制实验条件；可严格控制实验条件； 局限性：结果外推到人存在不肯定性。局限性：结果外推到人存在不肯定性。致癌物判断的基本方法（续）致癌物判断的基本方法（续）53试验动物和条件选择试验动物和条件选择（一）动物选择：