肿瘤的细胞与分子生物学(第2版)

**章 环境致癌因素 **节 化学致癌物是人类肿瘤的主要致癌因素 1 一、化学致癌物的种类 1 二、化学致癌的机制 3 三、致癌物的检测方法 4 第二节 病毒致癌是人类肿瘤的次要致癌因素 6 一、病毒致癌概况 6 二、人类肿瘤病毒 6 第三节 辐射与人类某些肿瘤的发生 15 一、辐射致癌概况 15 二、辐射致癌物的种类及致癌机制 15 肿瘤流行病学资料显示80%～90%的人类肿瘤是由外界环境因素引起的。这里的环境因素泛指直接接触某些特定的致癌物质（化学性、物理性、生物性）和不良的生活方式（饮食、吸烟、生育）。因此，避免接触致癌物质和改变不良生活方式就可能有效地预防癌症的发生。环境致癌因素大致可分为化学致癌物、辐射致癌物和肿瘤病毒这三大块，它们分别占环境致癌因素的75%～80%、5%和15%～20%。 **节 化学致癌物是人类肿瘤的主要致癌因素 化学致癌剂是人类肿瘤*主要的致癌因素。现在已知能诱发肿瘤的化学物质就有1000多种，其中包括天然的和人工合成的。有些化学致癌物有直接致癌作用，在机体内不经过生物转化即可致癌，称为直接致癌物（direct acting carcinogen）。有些化学致癌物本身并不直接致癌，在体内经过生物转化，所形成的衍生物具有致癌作用，称为间接致癌物（indirect acting carcinogen），其转化过程称为致癌物的代谢活化。已知化学致癌物大多是间接致癌物。 一、化学致癌物的种类 化学致癌物可分为直接化学致癌物和间接化学致癌物，环境中的化学致癌物大多为间接化学致癌物。 1.直接化学致癌物少而弱 这类物质绝大多数是合成的有机物，包括有内酯类、烷化剂和酰化剂类、芥子气和氮芥类、活性卤代烃类等。直接化学致癌物一般致癌性较弱，致癌时间长。 2.间接化学致癌物多而强 间接化学致癌物种类较多，常见的有以下7种。 （1）多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）类：这类物质广泛存在于沥青、汽车废气、煤烟、香烟及熏制食品中，与肺癌、皮肤癌等有关。这类致癌物以苯并芘[benzo（a）pyrene，BAP]为代表，它需经 CYP1A1激活才具有致癌性（表1-1）（参见本节“二、化学致癌的机制”）。这种致癌作用与芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AHR）有关，因为 AHR基因敲除的小鼠使用 PAH致癌剂处理是不会得癌的。 AHR是一种配体激活性转录因子，当与多环芳烃等配体结合后，可调控一系列基因的表达，包括致癌物的活化或解毒（Feng et al，2013）。 表1-1 人CYP基因家族部分成员 （2）芳香胺类（aromatic amine）：如乙萘胺、联苯胺（benzidine）等，与膀胱癌和白血病等肿瘤有关。芳香胺的活化在肝脏，通过 CYP1A2使其 N端氧化和乙酰化形成 N-乙酰氧基衍生物（N-acetoxy derivative）（表1-1），它能攻击 DNA，与膀胱癌的发生有关。 （3）亚硝胺类（nitrosamine）：在变质的蔬菜及食品中含量较高，也存在于燃烧的烟草中，能引起消化系统的恶性肿瘤。亚硝胺在体内需经代谢活化才形成*终致癌剂。与氨氮相连的α-碳原子上的氢受到肝细胞色素 P450酶的作用，被氧化形成羟基，此化合物不稳定，进一步分解和异构化，生成烷基偶氮羟基化合物，具有致癌活性。 （4）黄曲霉毒素 B1（a.atoxin B1，AFB1）：由黄曲霉菌产生，存在于霉变的花生、玉米及谷类中。 AFB1为异环芳烃，在肝通过细胞色素 P450酶氧化成 AFB1氧化物（AFB1-8，9-oxide）而致突变（表1-1），如引起 p53第249位密码子突变（AGG→AGT）颠换（transversion）。乙型肝炎病毒（HBV）感染与 AFB1的协同作用可能是我国肝细胞性肝癌高发地区的主要致癌因素。 （5）苯（benzene）：是一种略带芳香味的有机溶剂，在工业中有着广泛的用途，如油漆、各种装饰涂料、汽油、煤油等都含有苯。苯通过呼吸道、胃肠及皮肤吸收的方式进入人体，在肝 CYP2E1代谢后转化成酚、对苯二酚和邻苯二酚（表1-1）。这些分子被输送到骨髓后才被转化成真正的致癌因子对苯二醌，对苯二醌导致染色体断裂、缺失及各种 DNA突变，与白血病的发生有关。 （6）氯乙烯（vinyl chloride）：目前广泛应用的一种聚氯乙烯塑料是由氯乙烯单体聚合而成。流行病学调查已证实氯乙烯与肝血管肉瘤有关。氯乙烯在细胞色素 P450酶作用下代谢活化（表1-1），形成高度不稳定的氯乙烯氧化物（chloroethylene oxide），它能与 DNA共价结合，具有强致突变作用。 （7）无机致癌物：镍（nickel）与鼻咽癌和肺癌相关；镉（cadmium）与肺癌、前列腺癌和肾癌相关；铍（beryllium）和铬（chromium）与肺癌有关；砷（arsenic）与皮肤癌和肺癌有关；石棉（asbestos）纤维与肺癌和间皮瘤有关。 化学致癌物在肿瘤的发生过程中起了主导作用，但它也必须遵循量变到质变的原则。在一定条件下，化学致癌物质长期反复作用之后，达到了一定的量，才能够发生质的变化而诱发肿瘤。 二、化学致癌的机制 化学致癌物引起人体肿瘤的作用机制很复杂。少数致癌物质进入人体后可以直接诱发肿瘤，这种物质称为直接致癌物。大多数化学致癌物进入人体后，需要经过体内代谢活化或生物转化，成为具有致癌活性的*终致癌物才能引起肿瘤发生，这种物质称为间接致癌物。每种化学致癌剂都有自己的代谢途径，这其中涉及不同的代谢酶，如黄素单氧化酶（.avin mono-oxygenase）、转移酶、前列腺素合成酶，但*重要的代谢酶是位于滑面内质网的细胞色素 P450依赖性酶（cytochrome P450-dependent enzyme，CYP），它可使许多物质从无活性状态转变成不稳定的活性物质（图1-1），如环氧化合物或羟基化合物，它们能与 DNA上的碱基形成共价加合物（covalent adduct），引起 DNA突变，进而触发肿瘤形成。 图1-1 CYP涉及体内许多物质代谢，其中也包括前致癌剂转变成活性致癌剂的过程 细胞色素 P450酶是膜结合蛋白，是一大家族酶，有57个成员，其中50个位于内质网，其余位于线粒体膜（Guengerich et al，2016）。P450酶主要表达于肝脏和肾脏，在许多内源性化合物（如甾体类激素、胆汁酸、脂肪酸、前列腺素等）及许多外来化学物质（如药物、毒物、前致癌物/致突变物等）的氧化、还原及过氧化代谢中扮演着重要角色。其中外来化学物质的代谢主要由 CYP1、CYP2和 CYP3家族蛋白来承担，而内源性分子的代谢由 CYP4、CYP5、CYP8、CYP19和 CYP21家族蛋白来承担（表1-1）。这种代谢能力是由遗传决定的，有多态性，故表现种属和个体的差异。 CYP表达受 AHR调节，它在肿瘤组织中活性升高。 研究显示 CYP参与前致癌物的代谢活化，其中 CYP1A1在苯并芘[benzo（a） pyrene，BAP]等多环芳烃（PAH）化合物由前致癌物代谢活化为终致癌物7，8-二羟基-9，10-环氧化苯并芘[benzo(a)pyrenediolepoxide，BPDE]的过程中起着关键作用（图1-2）。这类致癌物主要诱发肺鳞状细胞癌的发生；而 CYP2A13等则主要激活亚硝胺类致癌物，如香烟中特有的亚硝胺甲基-亚硝基-吡啶基-丁酮（N-methyl-N-nitrosamine-pyridyl-buta-none，NNK），这种致癌物主要诱发肺腺癌。 图1-2 CYP1A1涉及将前致癌物苯并芘转变成*终致癌物 BPDE的过程 苯并芘首先被 CYP1A1氧化成7，8-环氧化苯并芘，再经水解酶水解后形成前致癌物7，8-二羟基苯并芘，经 CYP1A1再次环氧化形成*终致癌物7，8-二羟基-9，10-环氧化苯并芘（BPDE）吸烟是已经被确认的肺癌的主要病因，我国50%的肺癌是由吸烟引起的，与不吸烟者相比，吸烟者发生肺癌的风险要高3～10倍。但在吸烟者中发生肺癌的概率并不完全相同，提示个体的遗传因素在肺癌的发生和发展中起着重要作用。研究人员研究了若干重要的致癌物代谢酶基因多态性（polymorphism）与吸烟相关性肺癌的关系，发现 CY-P1A1的多态性是肺癌重要的遗传易感性因素。 CYP1A1定位于15q22—qter，基因全长43064bp，包括7个外显子和6个内含子。 CYP1A1主要有4种基因多态性，常见的突变等位基因为 m1（CYP1A1*2A）、 m2（CYP1A1*2C）、 m3（CYP1A1*3）和 m4（CYP1A1*4），其中 m1、m2型突变在华人中常见。 CYP1A1 m1突变型是在 DNA非编码区3′端增加一个 MspⅠ限制性内切酶位点， m2突变型是在第7外显子462位点发生 A → G碱基置换，这两种突变型表达的酶活性均高于野生型。由于苯并芘（BAP）需经 CYP1A1活化后方能致癌，突变型 CYP1A1将苯并芘转化成*终致癌物 BPDE的能力增强，因此携带突变型 CYP1A1基因的个体患肺癌的危险性是其他基因型的7.3倍，且吸烟量增加，患肺癌的危险性也增加。在食管癌患者中携带突变基因 CYP1A1的人数明显高于对照组， CYP1A1突变可能是食管癌发生的重要易感性之一。 CYP1A1的多态性也可能增加乳腺癌的患病风险。 三、致癌物的检测方法 1.Ames试验 Ames试验是一种检测诱变剂的常用方法，也称为鼠伤寒沙门菌/微粒体试验。其原理是在一系列组氨酸营养缺陷型的沙门菌株中，加入大鼠肝微粒体酶活化系统和受试化学物质后，若该化学物质为诱变剂，则可产生回复突变，使组氨酸营养缺陷型的沙门菌回复突变为野生型，细菌能合成组氨酸，从而与野生型一样能在不加组氨酸的培养基上生长。根据生长的细菌集落数目及大小，可测定受试化学物质的诱变能力（图1-3），因为基因突变能力与致癌能力有关。 图1-3 Ames试验 Ames试验由三部分构成，即鼠肝细胞匀浆液、组氨酸营养缺陷型沙门菌株和受试化学物质。Ames试验是一种回复突变试验，通过检测细菌集落数目及大小来确定受试化学物质的诱变能力Ames试验是一种间接检测法，不同于动物实验的直接检测法。但它检测速度快，一般在1周左右，故又称为快速检测法。不过Ames试验的价值像活体动物细胞上进行的检测一样，也颇有争议，因为它毕竟是在原核细胞系进行的，与人体的情况还有很大差距。 2.姐妹染色体交换 姐妹染色体交换（sister chromatid exchange，SCE）的原理是根据 BrdU掺入到 DNA中胸腺嘧啶核苷酸的位置上，经2次细胞分裂，两条染色单体不对称地标上 BrdU，结果被 Hoechst染成不同颜色，显微照片可见染色单体间有明暗互换现象。着色性干皮病（xe-roderma