以多环芳烃类化合物为例研究化学致癌机制中的遗传损伤机制

1、以多环芳烃类化合物为例研究化学致癌以多环芳烃类化合物为例研究化学致癌机制中的遗传损伤机制机制中的遗传损伤机制06级级 四川大学华西公共四川大学华西公共卫生学院卫生学院 预防医学三班预防医学三班杨润芳杨润芳 0655041055 2010-05-13肿瘤发生机制肿瘤发生机制l有关研究已证实，由遗传学和表观遗传学改变（即非遗传突变机有关研究已证实，由遗传学和表观遗传学改变（即非遗传突变机制）引起的原癌基因的活化和抑癌基因的灭活，从而引起细胞恶制）引起的原癌基因的活化和抑癌基因的灭活，从而引起细胞恶性改变是肿瘤发生的核心生物学过程。过去人们普遍认为遗传学性改变是肿瘤发生的核心生物学过程。过去人们普遍

2、认为遗传学上的基因突变是肿瘤发病机制中的关键事件，尤其是抑癌基因的上的基因突变是肿瘤发病机制中的关键事件，尤其是抑癌基因的体细胞突变与肿瘤的发生有着密切的关系。但是，近年来随着对体细胞突变与肿瘤的发生有着密切的关系。但是，近年来随着对肿瘤认识的深人。人们发现肿瘤认识的深人。人们发现DNA序列以外的调控机制即表观遗序列以外的调控机制即表观遗传学异常在肿瘤的发生、发展过程中也起到非常重要的作用。表传学异常在肿瘤的发生、发展过程中也起到非常重要的作用。表观遗传学机制包括：观遗传学机制包括：DNA甲基化异常，组蛋白修饰，非编码甲基化异常，组蛋白修饰，非编码RNAs(包括包括microRNA、RNA干扰

3、干扰)，染色质重塑等，而这几个，染色质重塑等，而这几个方面都与肿瘤的发生有关。外源性化学物致突变作用是否涉及表方面都与肿瘤的发生有关。外源性化学物致突变作用是否涉及表观遗传学改变还有待进一步研究。现在比较清楚的还是外源性化观遗传学改变还有待进一步研究。现在比较清楚的还是外源性化学致突变物引起肿瘤的遗传损伤机制学说。学致突变物引起肿瘤的遗传损伤机制学说。 多环芳烃多环芳烃(PAHs)简介简介l多环芳烃多环芳烃(PAHs)主要来源于有机物的不完全主要来源于有机物的不完全燃烧，在人类的生产和生活活动过程中很容易燃烧，在人类的生产和生活活动过程中很容易产生。产生。PAHs进入人体后，大部分经混合功能进

4、入人体后，大部分经混合功能氧化酶代谢生成各种中间产物和终产物，其中氧化酶代谢生成各种中间产物和终产物，其中一些代谢产物可与一些代谢产物可与DNA共价结合形成共价结合形成PAHDNA加合物，引起加合物，引起DNA损伤，诱导基因突变，损伤，诱导基因突变，甚至诱发肿瘤形成。很多流行学调查和动物实甚至诱发肿瘤形成。很多流行学调查和动物实验表明，验表明，PAHs可诱发皮肤、肺、肝、阴囊等可诱发皮肤、肺、肝、阴囊等部位癌症。部位癌症。 苯并芘（苯并芘（BaP）是多环芳烃）是多环芳烃(PAHs)代表物代表物l有我国学者在体内染毒条件下，运用彗星试验观察有我国学者在体内染毒条件下，运用彗星试验观察BaP对小鼠

5、肺细胞对小鼠肺细胞DNA损伤的影响。结合其他学者研损伤的影响。结合其他学者研究认为究认为BaP是一种前致癌物，需在体内经代谢活化后是一种前致癌物，需在体内经代谢活化后转变成终致癌物才具有致突变和致癌作用。其引起转变成终致癌物才具有致突变和致癌作用。其引起DNA损伤的机制可能为：损伤的机制可能为：BaP进入体内后，大部分在进入体内后，大部分在肝、肺细胞微粒体中细胞色素肝、肺细胞微粒体中细胞色素P450酶系酶系(如如CYPIA1)的氧化作用下形成环氧化物然后经的氧化作用下形成环氧化物然后经EH水解成二羟基水解成二羟基化合物。再由化合物。再由P450酶系二次环氧化生成二羟基环氧化酶系二次环氧化生成二

6、羟基环氧化物，此为终致癌物，可与靶细胞物，此为终致癌物，可与靶细胞DNA结合，形成结合，形成DNA加合物，从而引起加合物，从而引起DNA损伤，启动致突变致癌过程。损伤，启动致突变致癌过程。 BaPBaP在体内在体内P450P450酶系的作用下可产生酶系的作用下可产生1O1O余余种代谢产物，现认为反种代谢产物，现认为反BPDE(antiBPDE)BPDE(antiBPDE)是是BaPBaP代谢的终致癌物，其带有亲电子基代谢的终致癌物，其带有亲电子基团，可与细胞大分子团，可与细胞大分子DNADNA中的亲核基团鸟中的亲核基团鸟嘌呤的外环胺基端结合。还可与转录因嘌呤的外环胺基端结合。还可与转录因子结合

7、，从而损伤子结合，从而损伤DNADNA主要引起主要引起G-TG-T、G-AG-A突变，这在化学诱变和致癌作用中一突变，这在化学诱变和致癌作用中一直被认为是一种关键因素，进而激活原直被认为是一种关键因素，进而激活原癌基因或使抑癌基因失活，启动致突变癌基因或使抑癌基因失活，启动致突变致癌过程。致癌过程。 其他学者也做了相关研究，总结见下：其他学者也做了相关研究，总结见下：l（一）PAHDNA（DNA加合物）对原癌基因Ras和抑癌基因p53的影响：PAHs进人人体后经CYP450s中CYP4501A1代谢活化生成具有强致癌活性的亲电子环氧化物，后者可与靶细胞DNA形成PAHDNA加合物，造成DNA损

8、伤和染色体畸变，引起原癌基因ras和抑癌基因p53的改变。 l（二）PAHs对代谢酶活性直接作用及在基因水平上的影响。包括CYP450s的CYP4501A1 、GST 、环氧化物水解酶 (EH) 及遗传多态性。原癌基因原癌基因l在正常情况下，原癌基因处于抑制状态，表达水平较低，但却是正常细胞生长、增殖必不可少的。在某些致癌因子的影响下，原癌基因的结构会发生点突变、插入、重排或缺失及扩增等，改变了其转录的活性，使之从抑制状态转变成激活状态成为癌基因，这样正常细胞就会发生癌变。肿瘤抑癌基因肿瘤抑癌基因(tumor suppressor gene)l是细胞的制动器它们编码的蛋白质抑制细胞的增殖，是细

9、胞的制动器它们编码的蛋白质抑制细胞的增殖，促进细胞的分化、成熟和衰老，引导多余的细胞进入促进细胞的分化、成熟和衰老，引导多余的细胞进入程序化死亡途径，并阻止细胞癌变。正常的二倍体细程序化死亡途径，并阻止细胞癌变。正常的二倍体细胞中每种肿瘤抑制基因都有两个拷贝。只有当两个胞中每种肿瘤抑制基因都有两个拷贝。只有当两个拷贝都丢失了或失活了才会失去增殖的控制，使细胞拷贝都丢失了或失活了才会失去增殖的控制，使细胞周期不能得到正常调节。肿瘤抑制基因如周期不能得到正常调节。肿瘤抑制基因如p53基因、基因、PRB、WT1、p15、p16和和p21等蛋白质分子，如果发等蛋白质分子，如果发生基因突变，则失去了细胞

10、周期素、生基因突变，则失去了细胞周期素、CDK及其复合物及其复合物蛋白酶活性的正常调节，从而与肿瘤的发生具有一定蛋白酶活性的正常调节，从而与肿瘤的发生具有一定的关系。的关系。1）PAHs对原癌基因对原癌基因Ras的影响：的影响： lPAHs可以引起原癌基因ras的点突变，使之激活。 有实验证明，经PAHs处理的妊娠Balbc小鼠，其后代Ki-ras基因呈现高突变率。外国学者Mizesko等研究发现早期暴露于甲基胆蒽诱导的Ki-ras基因突变的类型可能影响肺肿瘤的进展。Ras基因的激活常常发生在癌变的早期，其表达产物血清P21蛋白是鉴别恶性肿瘤的生物学标志物。 v有研究表明，用药物遗传学小鼠模型

11、评价子有研究表明，用药物遗传学小鼠模型评价子宫暴露于宫暴露于PAHs、3-甲基胆蒽时，发现甲基胆蒽时，发现CYP4501A1在调控原癌基因和肿瘤抑制因子在调控原癌基因和肿瘤抑制因子基因表达中有损害作用。基因表达中有损害作用。Marshall等通过分等通过分析仔鼠的石腊包埋肝组织中溶胞产物中的析仔鼠的石腊包埋肝组织中溶胞产物中的Ha-ras、p53基因，筛选的基因，筛选的26个肿瘤个肿瘤(23个肝细个肝细胞瘤，胞瘤，2个肝细胞腺瘤，个肝细胞腺瘤，1个肉瘤个肉瘤)在在Ki-ras基基因位点都显示因位点都显示GGCcGc颠换，然而颠换，然而p53基基因的因的58外显子没有发现突变。外显子没有发现突变

12、。Kiras在所在所有肿瘤中都发生突变，说明此基因位点的突有肿瘤中都发生突变，说明此基因位点的突变可能是肝肿瘤致病机制中的早期事件，而变可能是肝肿瘤致病机制中的早期事件，而抑癌基因的突变可能发生于肿瘤的进展后期。抑癌基因的突变可能发生于肿瘤的进展后期。 v检查检查ras基因突变可以用来预测肿瘤高危人群，基因突变可以用来预测肿瘤高危人群，昊逸明，王新朝，等认为因昊逸明，王新朝，等认为因ras P21可通过细可通过细胞膜分泌至细胞外环境中胞膜分泌至细胞外环境中 ，因此可能在血清，因此可能在血清中检测出中检测出P21蛋白，可以对肺癌高危个体作蛋白，可以对肺癌高危个体作出识别。用出识别。用Wester

13、n Blotting免疫印迹法对免疫印迹法对20名沥青工、焦炉工和名沥青工、焦炉工和12名对照者血清名对照者血清P21水平进行了追踪观察。得出多环芳烃类混合水平进行了追踪观察。得出多环芳烃类混合物具有较强的遗传毒性物具有较强的遗传毒性,可使职业工人在早期可使职业工人在早期接触阶段出现接触阶段出现P21的高表达。进一步认为的高表达。进一步认为DNA碱基对发生突变是启动、激活碱基对发生突变是启动、激活ras癌基癌基因的条件，而后者是诱发肿瘤的关键。因的条件，而后者是诱发肿瘤的关键。 2）PAHs对抑癌基因对抑癌基因p53的影响：的影响：lp53基因是迄今为止发现的与人类肿瘤相关性最高的基因是迄今为

14、止发现的与人类肿瘤相关性最高的基因。基因。p53蛋白是研究的最为广泛的一种肿瘤抑制蛋蛋白是研究的最为广泛的一种肿瘤抑制蛋白。白。p53基困在机体的生长发育分化等过程中起重要基困在机体的生长发育分化等过程中起重要的作用其主要生物学功能是维持细胞基因组的稳定，的作用其主要生物学功能是维持细胞基因组的稳定，负调节细胞生长，诱导细胞凋亡。负调节细胞生长，诱导细胞凋亡。p53发生突变后，发生突变后，空间构象的改变影响到转录活化功能及空间构象的改变影响到转录活化功能及1753蛋白的磷蛋白的磷酸化过程，这不但使野生型酸化过程，这不但使野生型p53失去抑制肿瘤增殖的失去抑制肿瘤增殖的作用，而且突变本身又使该基

15、因具备癌基因功能。突作用，而且突变本身又使该基因具备癌基因功能。突变的变的P53蛋白与野生型蛋白与野生型P53蛋白相结合形成的寡聚蛋蛋白相结合形成的寡聚蛋白不能与白不能与DNA结合，使得一些癌变基因转录失控导致结合，使得一些癌变基因转录失控导致肿瘤发生。肿瘤发生。 v黄勇黄勇 陈家堃等通过观察苯并陈家堃等通过观察苯并(a)芘芘B(a)P代代谢产物反式二氢二醇环氧苯并芘谢产物反式二氢二醇环氧苯并芘BPDE诱发诱发的恶性转化的人支气管上皮细胞及其裸鼠成的恶性转化的人支气管上皮细胞及其裸鼠成瘤细胞中的瘤细胞中的p53基因突变情况，探讨基因突变情况，探讨BPDE诱诱导细胞癌变的机制。方法多聚酶链聚合反

16、导细胞癌变的机制。方法多聚酶链聚合反应单链构象多态性分析应单链构象多态性分析(PCR-SSCP)、基、基因测序。结果因测序。结果PCR-SSCP分析结果提示，反分析结果提示，反式式BPDE诱发的恶性转化细胞及其裸鼠成瘤诱发的恶性转化细胞及其裸鼠成瘤细胞细胞p53基因的基因的Exon7和和Exon8有突变。基有突变。基因测序发现裸鼠成瘤细胞因测序发现裸鼠成瘤细胞(B3)的的p53基因基因Exon8的第的第282位密码子位置出现了一个位密码子位置出现了一个GT点突变，其编码的氨基酸由精氨酸点突变，其编码的氨基酸由精氨酸(CGG)亮氨酸亮氨酸(CTG)。结论反式。结论反式BPDE可诱导可诱导p53基

17、基因发生突变，提示因发生突变，提示p53基因突变可能是基因突变可能是BPDE诱导细胞癌变的重要机制之一。诱导细胞癌变的重要机制之一。 Sarah等将一组等将一组p53基因表达阳性和阴性的基因表达阳性和阴性的人结肠癌细胞系人结肠癌细胞系(HCT116)暴露于暴露于BaP，发现发现BaP形成形成DNA加合产物过程依赖加合产物过程依赖p53，p53表达阳性的细胞系形成表达阳性的细胞系形成BaPDNA是是p53表达阴性细胞系的表达阴性细胞系的10倍倍19。Lan等用等用免疫组化法检测了肺癌患者痰液中脱落细免疫组化法检测了肺癌患者痰液中脱落细胞胞P53蛋白的表达情况，发现煤烟燃烧量蛋白的表达情况，发现煤

18、烟燃烧量与肺癌的危险性相关，且在与肺癌的危险性相关，且在p53表达阳性表达阳性的病例突出。研究还发现，女性组高煤烟的病例突出。研究还发现，女性组高煤烟暴露与暴露与p53阳性肺癌间存在明显相关。另阳性肺癌间存在明显相关。另有研究表明，有研究表明，PAHDNA加合物的水平可加合物的水平可触发触发p53和和p21WAF1信息传递通路产生反信息传递通路产生反应，导致细胞周期阻滞；或者此信息传递应，导致细胞周期阻滞；或者此信息传递通路不反应而使这些通路不反应而使这些DNA损伤诱导的突变损伤诱导的突变危险性增加。危险性增加。（一）（一）PAHDNA加合物对原癌基因加合物对原癌基因Ras和抑癌基因和抑癌基因

19、p53的影响的影响l有外国学者分别对索非亚、布拉格、科希策有外国学者分别对索非亚、布拉格、科希策3个个城市城市204例室外空气暴露者和例室外空气暴露者和152例对照进行观察，例对照进行观察，用用ELISA方法检测方法检测P53蛋白和蛋白和P21蛋白，结果发现蛋白，结果发现P53蛋白分别与蛋白分别与BaP暴露量、暴露量、PAHs暴露量、总暴露量、总的的DNA加合物水平呈正相关，而加合物水平呈正相关，而P21蛋白分另蛋白分另H与与PAHs暴露量、总的暴露量、总的BaPDNA加合物水平呈加合物水平呈正相关。以上这些研究结果提示，正相关。以上这些研究结果提示，PAHDNA加加合物可引起原癌基因合物可引

20、起原癌基因ras和抑癌基因和抑癌基因p53的改变。的改变。（二）（二）PAHs对代谢酶活性基因水平的影响：对代谢酶活性基因水平的影响：1）PAHs进入机体进行生物转化需要多种代谢酶参与：进入机体进行生物转化需要多种代谢酶参与： PAHs进入人体后，主要经过进入人体后，主要经过CYP450s的的CYP4501A1代谢活化，生成具有强致癌活性的亲电代谢活化，生成具有强致癌活性的亲电子环氧化物。因此，子环氧化物。因此，CYP4501A1同工酶的活性成为同工酶的活性成为决定决定PAHs致癌性的关键。致癌性的关键。PAHs可诱导可诱导CYP4501A1同工酶活性。同工酶活性。CYP1A1被诱导的机制是被

21、诱导的机制是PAHs通过胞通过胞质内芳烃受体质内芳烃受体(ahR)介导而高度诱导介导而高度诱导CYP1A1。CYP450s的的CYP4501A1代谢活性是代谢活性是PAHs致癌的重要致癌的重要机制。机制。 GSTGST是体内重要的是体内重要的相解毒酶家系，参相解毒酶家系，参与多环芳烃等致癌物质的解毒过程，其与多环芳烃等致癌物质的解毒过程，其主要作用为催化亲电子环氧化物与谷胱主要作用为催化亲电子环氧化物与谷胱甘肽结合生成谷胱甘肽结合物阻止甘肽结合生成谷胱甘肽结合物阻止PAHsPAHs环氧化物与环氧化物与DNADNA结合，在结合，在PAHsPAHs代谢中起灭代谢中起灭活解毒作用。活解毒作用。环氧化

22、物水解酶环氧化物水解酶 (EH)(EH)也也是一种二相反应代谢酶，可催化多数多是一种二相反应代谢酶，可催化多数多环芳烃环化物水解，生成低活性、水溶环芳烃环化物水解，生成低活性、水溶性更大的反式性更大的反式- -二氢二醇排出体外，具有二氢二醇排出体外，具有解毒作用。解毒作用。2）相关代谢酶存在遗传多态性，）相关代谢酶存在遗传多态性，PAHs对对代谢酶活性基因水平的影响代谢酶活性基因水平的影响l CYP4501A1的可诱导性存在遗传差异即与其基因的可诱导性存在遗传差异即与其基因多态性高度相关。多态性高度相关。CYP4501A1高诱导性基因型高诱导性基因型(C型，型，ValVal型型)者体内者体内C

23、YP4501A1酶活性易被酶活性易被PAHs诱导，诱导，从而具有较高活化从而具有较高活化PAHs的能力，可能易于发生癌变；的能力，可能易于发生癌变；而非诱导性基因型而非诱导性基因型(A型，型，B型，型，IleIle型或型或IleVal型型)者，活化者，活化PAHs能力相对较低，故不易癌变。已有能力相对较低，故不易癌变。已有研究证明，研究证明，CYP4501A1高诱导性基因型者患肺癌和高诱导性基因型者患肺癌和肠癌的危险性显著高于非诱导性基因型者。肠癌的危险性显著高于非诱导性基因型者。Zturk等等研究发现，研究发现，CYP1A1基因型基因型IleVal在土耳其的非小在土耳其的非小细胞癌中比在其他

24、白种人有更高的表达，使这些有细胞癌中比在其他白种人有更高的表达，使这些有IleVal基因型的病人增加患肺腺癌的危险性基因型的病人增加患肺腺癌的危险性(P=0046)。 GSTM1GSTM1基因多态性是影响宣威肺癌诱发基因多态性是影响宣威肺癌诱发的重要原因之一的重要原因之一. .在人类，在人类，GSTsGSTs包括仅包括仅、和和55个家系个家系1313种酶，分别由种酶，分别由GSTAGSTA、GSTMGSTM、GSTPGSTP、GSTSGSTS和和GSTTGSTT编码。编码。何兴舟对宣威肺癌病因学研究何兴舟对宣威肺癌病因学研究2222年，发年，发现室内燃煤排放大量以现室内燃煤排放大量以BaPBa

25、P代表的致癌代表的致癌性性PAHsPAHs，是导致宣威肺癌高发的主要危，是导致宣威肺癌高发的主要危险因素。险因素。GSTM1GSTM1基因缺失者基因缺失者(GSTM1(GSTM1) )，其患肺癌的相对危险性为其患肺癌的相对危险性为GSTM1GSTM1基因携带基因携带者者(GSTM1+)(GSTM1+)的的2 23 3倍。在倍。在GSTM1GSTM1缺失组中缺失组中其烟煤用量每增加其烟煤用量每增加100100吨，患肺癌危险性吨，患肺癌危险性增加增加1 12 2倍。在倍。在GSTM1GSTM1携带组中则增加携带组中则增加2 24 4倍。倍。 上述结果表明，上述结果表明，GSTM1GSTM1基因多态

26、性是影响基因多态性是影响宣威肺癌诱发的重要原因之一。周辉霞宣威肺癌诱发的重要原因之一。周辉霞学者研究谷胱甘肽硫转移酶基因多态性学者研究谷胱甘肽硫转移酶基因多态性和吸烟与大肠腺瘤易感性之间的关系。和吸烟与大肠腺瘤易感性之间的关系。得出得出GSTM1GSTM1基因缺失，导致谷氨酸硫转化基因缺失，导致谷氨酸硫转化酶的活性降低，导致其解毒能力下降。酶的活性降低，导致其解毒能力下降。当吸烟程度加重时，体内的致癌产物增当吸烟程度加重时，体内的致癌产物增加，体内解毒能力降低，患大肠腺瘤的加，体内解毒能力降低，患大肠腺瘤的危险性增加。危险性增加。具有这两种基因型具有这两种基因型HLY1HLY1* *i i* *2 22 2和和HYLIHYLI* *1 1* *l l* *2 2的个体，的个体，EHEH活性下降，对烟草中致癌物活性下降，对烟草中致癌物( (包括包括PAHs)PAHs)的解毒能力下降，从而易患肺癌。的解毒能力下降，从而易患肺癌。 BaPBaP是一种前致癌物，需在体内经代谢活化后转变成是一种前致癌物，需在体内经代谢活化后转