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编号:10223453
DNA甲基化与砷的致癌机制研究
http://www.100md.com 《中国地方病学杂志》 1999年第4期
     作者:卢光明 赵军平 姚孝元 戚其平

    单位:卢光明 赵军平 解放军总医院 基础医学研究所,北京 100853; 姚孝元 戚其平 中国预防医学科学院 环境卫生监测所,北京 100050

    关键词:

    中国地方病学杂志990421 中图分类号O613.63;R730.231 [文献标识码] A [文章编号] 1000-4955(1999)04-0305-03

    砷是人类的确认致癌物。砷暴露可导致人类肺癌和皮肤癌,近期研究表明砷还可引起多种脏器癌症患病率增高[1]。但迄今为止,作为有着广泛生物学作用的砷的致癌机理,没有取得令人服信的进展。砷致癌的个体易感因素及实验动物模型仍属未知。砷在环境和生物机体中均有生物甲基化代谢的转换过程,且其毒性与砷的形态密切相关。砷对肿瘤细胞DNA甲基化谱的形成与维持、以及其基因表达调控的影响已成为当今砷的分子毒理学研究亟待阐明的关键问题之一。因此,本文试图将砷致癌可能的基因甲基化作用机制作一论述。
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    1 砷化物代谢的甲基化模式

    1.1 砷在环境中代谢的甲基化模式:砷为变价元素,一般形式为无机砷(As3+和As5+)、有机砷[CH3As、(CH3)2As、(CH3)3As及甜菜碱胂等],水环境中其代谢的一般规律为:在氧化条件下以H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42-、都是As5+;在还原条件下以H3AsO3、H2AsO3-、HAsO32-、都是As3+。砷主要以亚砷酸盐[As(Ⅲ)]、砷酸盐[As(Ⅴ)]、甲基砷酸盐[MMA]和二甲基砷酸盐[MDA]四种形式存在水体中。砷酸盐在厌氧作用下,通过甲烷菌中甲基钴氨素作用,此时砷酸盐被还原,同时甲基化而生成二甲基胂酸[2]。因此,砷通过环境的迁移转化富集,致使环境介质中的砷失平衡,导致地砷病(Endemic Arsenism)的流行。
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    1.2 砷在生物机体内代谢的甲基化模式:无机砷进入人体进行生物甲基化作用,主要代谢产物为一甲基胂酸和二甲基胂酸,并从尿中排出,形态砷分布大约为20%无机砷、20%一甲基胂酸和60%二甲基胂酸[3]。随着无机砷摄取量的增大,人体对砷的甲基化负荷也就愈大。Hopenhayn等对无机砷暴露人群尿液中砷形态比例分析研究指出,机体对无机砷的代谢不存在甲基化容量的阈值问题,无论无机砷的暴露水平多高,体内仍保持20~25%无机砷水平不被甲基化[4]。砷的生物甲基化代谢主要是通过S—腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)作为甲基供体,并由DNA甲基转移酶(Methyltransferase,MTase)将甲基转移至胞密啶环的第5个碳原子上,以使DNA甲基化类型高保真地复制,从而维持细胞表型和遗传的稳定性[5]。Styblo等研究指出,As3+和As5+更容易被甲基化,且推测机体由无机砷由As5+还原成As3+的步骤可能为砷甲基化代谢的限速步骤[6]。砷通过甲基化而降低其急性毒性,但是否增加基因毒性作用?很少有资料报道。
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    2 DNA甲基化与砷的致癌作用

    2.1 DNA甲基化的生物学表型:真核生物染色体DNA甲基化是基因表达调控的一种方式。DNA异常甲基化可引起染色体结构、DNA构型、DNA稳定性及蛋白质因子相互作用方式的改变,控制着基因的表达,影响着细胞的增殖和分化。细胞癌变是基因表达失控的结果,真核生物的DNA甲基化水平与细胞癌变密切相关。它是引起细胞原癌基因激活和抑癌基因灭活的另一种机制。当DNA处于高水平甲基化时,基因表达受到抑制;当DNA处于低水平甲基化时,基因得以表达[7]。真核生物DNA甲基化谱的形成与维持的机制和甲基化对基因表达的调控作用,是当今肿瘤分子生物学研究的焦点之一。

    2.2 砷的基因毒理作用:砷不是特异的致突变剂,不能诱发基因的点突变;但砷能诱发细胞染色体畸变,姐妹染色单体互换和微核的增加等DNA结构损伤的细胞学后果[8]。Lee等[9]研究表明砷对DNA合成的刺激作用可能导致基因的扩增。砷的致癌作用可能是通过癌发生相关基因(如癌基因、抑癌基因)扩增而实现的。
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    砷对DNA没有直接损伤效应,但有报道砷可造成DNA单链断裂。Forance等采用碱洗脱法分析DNA单链断裂,结果指出砷可使中等水平的DNA单链断裂[10]。Rossman等将具有不同修复功能的大肠杆菌进行UV照射,再用亚砷酸钠处理,指出砷对大肠杆菌依赖RecA的DNA复制后修复有抑制作用[11]。Okui等对三价砷(As2O3)和五价砷(Na2HAsO4)在正常人纤维细胞经UV照射以后DNA修复中的效应进行了研究,结果表明砷可致DNA修复作用的抑制[12]。另外,砷至少影响5种基因的表达:热休克旦白(Heat Shock Proteins)、亚铁血红素氧化酶(Heme Oxygenase)、角朊(Keratin)、金属硫蛋白(Metallothionein)和多药耐药基因(Mutiple Drug Resistance Gene,MDRI),但并不知道以上基因表达改变前是否有DNA甲基化的变化[13]
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    2.3 砷基因毒理与DNA甲基化有关征象:近期研究发现:(1)砷主要通过抑制甲基化碱基切割的DNA修复过程,导致DNA母链上的碱基活性位点增加和非甲基化的子链生成[8]。(2)无机砷在体内甲基化代谢过程与DNA甲基化修饰过程之间,存在着对甲基供体的竞争,而影响DNA甲基化—去甲基化修饰。Tice等研究发现肝脏甲基供体缺乏使得砷化物的DNA毒性增加[14]。机体主要甲基供体的蛋氨酸可减轻砷的基因毒理作用,胡国刚等[15]证实,硒蛋氨酸能明显减轻As3O3诱导人体外周血淋巴细胞SCE频率,能明显拮抗As2O3对DNA合成抑制作用。硒蛋氨酸等药物可用于地砷病病区人群的预防和治疗。地砷病区人群的营养状态(特别是富含甲基食物)直接影响其发病过程。(3)砷可直接抑制一些异常的甲基转移复合酶等,使患者的癌细胞被诱导分化而达到治疗的目的。近年来我国[16,17]在使用砷制剂治疗白血病方面取得了突破性的进展。陈国强等进行了As2O3诱导急性早幼粒白血病细胞凋亡研究,发现As2O3能选择性地诱导APL细胞分化成熟,同时伴有诱导AML—M3细胞株NB4细胞凋亡,提示砷可通过调控凋亡的抑制基因bcl-2和AML-M3特异分子PML-RARα蛋白定位而实现的。但调控凋亡的抑制基因Bcl-2的甲基化模式情况如何?仍无确切的实验资料加以证实。
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    3 砷的DNA甲基化致癌作用可能模型

    Mass-MJ等人[13]通过定量PCR/Hpa Ⅱ限制性酶切位点来分析p53基因CCGG位点的甲基化状态;在试验中,用亚硫酸盐法观察了解整个启动区的5—甲基胞嘧啶,再用限制性酶切分析进一步确定。用Sss I甲基化酶分析的数据也显示砷暴露的细胞基因组也存在CpG序列过度甲基化。与某些肿瘤病因学相关的肿瘤抑制因p53也是砷的靶组织,如皮肤、肺脏和胆囊。砷的致癌机理可能包括Mtase/SAM-依赖性肿瘤原癌基因和抑制基因的DNA甲基化作用。基于砷的甲基化代谢途径及基因表达中DNA甲基化调控作用,提出了砷的致癌甲基化模型。

    第一条途径:假设砷作为原始酶抑制剂。部分或选择性地抑制许多细胞SAM—依赖性MTase,导致SAM利用的下降,继而导致SAM水平上升。这种情况下,胞嘧啶MTase将产生大量的5-MeC,导致肿瘤抑制基因表达受阻,产生癌症。已有研究证实[18]肿瘤组织中DNA甲基化和胞密度甲基化转移酶活性是增高的;致癌剂在诱导正常组织致癌的过程中,其早期的改变即有DNA高甲基化[19]
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    第二条途径:砷—MT转移酶能消耗SAM甲基供体池的甲基基团[20]。因甲基供体的缺乏不能维持DNA上甲基胞嘧啶水平,导致低甲基化,结果一些原癌基因过度表达导致癌症。DNA低甲基化与染色脆性增加有关,可导致基因的不稳定性,其本身可作为肿瘤的始动或促动因子。因此,砷是通过甲基化的“去毒作用”而导致癌症,而不是一个保护性的机制。

    4 砷性肿瘤DNA甲基化研究意义

    我国地砷病病情严重,除著名的台西南乌脚病流行区外,新疆、贵州及内蒙等地又相继出现世界上罕见的病区,其高发的远期致癌效应严重地危害着人们的健康。尽管砷的分子毒理研究已有很大的进展,但仍有许多不解和有待深入研究之处。(1)无机砷化物进入机体后可通过甲基化作用降低其通常的急性毒理作用,但它是否增加了其基因毒理作用,很少有研究报导。我们曾对地方性砷中毒病区人群砷形态暴露进行过系列研究[21],发现形态砷化物水平与其发病密切相关,指出DNA甲基化类型是砷性肿瘤发生的一个可能途径、砷的致癌机理可能包括MTase/SAM—依赖性肿瘤原癌基因和抑制基因的DNA甲基化。(2)尽管砷能抑制甲基化碱基切除修复,直接抑制甲基化转移酶活性,引起染色体结构、DNA构型及DNA与蛋白质子相互作用方式的改变,从而控制着基因的表达。但其致癌过程的原癌基因和抑癌基因的甲基化类型,仍无详细资料报导。(3)使用甲基供体及砷拮抗剂类药物对病区人群防治,仍需更多试验资料加以证实。因此,研究砷对基因组DNA和有关原癌基因及抑癌基因及其启动区的甲基化水平影响,对阐明砷化物的致癌和砷剂治疗肿瘤的机理、以及地砷病的防治等均具有重要理论和意义。
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    基金来源:国家自然科学资金资助项目(39800123)

    作者简介:卢光明,男,1963年生,硕士,助理研究员

    参考文献

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    收稿日期1998-09-22;修订日期1999-03-12, http://www.100md.com