重金属暴露及其致癌分子机制的研究进展

蔡 睿，卜俊国，许嘉俊(综述)，郑静芬，张积仁，※(审校)

(1.南方医科大学附属珠江医院肿瘤中心，广州 510282； 2.广东省肿瘤靶向干预与防控研究院，广东 清远 511500)

重金属在体内蓄积影响着细胞的正常生理功能，其可以引起DNA和蛋白质的损伤以及构象的改变，从而诱导细胞凋亡、细胞周期改变以及细胞癌变。由于重金属其毒性很高，即使低水平的暴露也会对人体造成很大的损害，并且随着环境污染的加剧，重金属暴露也越来越多。因此，重金属致癌也越来越受到人们的重视。目前，国际癌症研究机构已将砷、镉、铬、镍等多种重金属列为人类致癌物质。随着对重金属与癌症关系的研究逐步深入，重金属致癌的分子医学研究受到广泛的关注。该文重点讨论重金属镉、砷、铅、汞暴露及其致癌机制的研究进展。

1 镉暴露及其致癌机制

世界卫生组织的癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)已公布的研究结果表明，镉暴露可以导致癌症的发生[1]。瑞典于默奥大学职业与环境医学部的Jin等[2]对镉的毒理及生化代谢研究结果提示，环境污染中的镉暴露进入人体后，在体内半衰期较长,将对人体产生较大的毒性效应。Wang等[3]通过流行病研究表明，镉暴露能增加患心血管疾病的风险并可提高癌症患者的病死率。美国国家癌症研究机构的国家环境健康科学研究所等统计发现，镉暴露可引起乳腺癌、肺癌、前列腺癌以及胃肠道肿瘤[4-6]。镉在环境中的分布非常广泛，而其也被用于多种工业生产中，如合金的制作、染料的加工，以及电池的生产等。因此，其致癌机制的研究越来越受到重视。

基因组的稳定性对维持细胞正常生理功能，保证正常的基因的复制、表达以及蛋白质合成具有非常重要的作用。而镉可能通过多种机制影响正常的生理活动。镉可以影响多种信号转导通路，Thévenod等[7]通过研究镉对青蛙交感神经元的影响，发现其可以肌醇多磷酸盐的形成，增加细胞基质内自由钙水平；Suszkiw等[8]研究表明，二价镉离子可降低小鼠大脑钙离子通道敏感性；Takiguchi等[9]研究镉对DNA甲基转移酶活性的影响发现，镉可以影响DNA的甲基化。这些都可能是镉诱导异常基因表达的原因。诱导DNA损伤后可引起细胞周期阻滞，基因突变，基因组的不稳定性，从而引起细胞凋亡和细胞癌变。Joseph[10]通过已有研究得出，镉引起癌症的机制有很多，包括异常基因的表达，抑制DNA损伤的修复，诱发氧化应激，抑制细胞凋亡，而这些机制中氧化应激起着核心作用。镉通过氧化应激可以引起DNA损伤，从而间接影响基因组的稳定性。McMurray等[11]通过基因毒性研究表明，镉不仅可以通过诱导活性氧类的产生，还可通过抑制DNA修复以及减弱细胞内谷胱甘肽等抗氧化剂活性来破坏基因组的稳定。在其致癌作用中，镉抑制DNA修复的机制也发挥着非常重要的作用，Jin等[12]通过检测细胞突变率表明，镉在较低浓度时就能够抑制错配修复，在酵母菌中，镉暴露可以影响错配修复蛋白Msh2-Msh6(MutSα)和Msh2-Msh3(MutSβ)的活性，减少ATP水解以及Msh2-Msh6和Msh2-Msh3与DNA的结合。镉暴露也影响核苷酸切除修复，Cleaver等[13]发现，其可以抑制着色性干皮病基因A(xeroderma pigmentosum A，XPA)，而这种蛋白可以识别DNA损伤位置，以及促进其他修复蛋白的聚集。Hartmann等[14]用迁移率变动分析法分析镉对DNA修复损伤识别的影响发现，XPA有一种特有的四半胱氨酸锌指节构，在镉中毒时DNA与XPA的结合能力明显下降。Asmuss等[15]以哺乳动物XPA蛋白为模型，发现镉中毒时DNA与XPA结合能力明显下降的原因可能是在锌指节构中锌被镉所取代造成的。Golovine等[16]通过对添加锌后镉暴露对X连锁凋亡抑制蛋白表达的影响分析发现，镉的毒性很大一部分是因为其在生物反应中具有取代锌的作用，而锌是DNA、RNA、蛋白质合成过程中一些酶的重要组成部分，锌被取代后这些酶的活性便受到了影响。另外，Saïd等[17]通过锌治疗镉诱导的睾丸病理生理损伤研究证明，锌可以减轻镉的致癌作用。除此之外，Garrett等[18]通过对人近端小管细胞暴露于镉的研究发现，一些原癌基因出现了过表达，如c-fos、c-myc、c-Jun，c-myc和c-Jun RNA等细胞核转录因子在细胞由G0期向G1期过渡中发挥着重要作用，因此这些基因的过表达改变了正常的细胞周期。另外，Kortenkamp[19]研究认为，镉可以被看作一种刺激素类似物，与雌激素受体结合，模拟雌激素作用，而在长期的雌激素刺激下，乳腺癌发病率增加，这成为镉引起乳腺癌的又一个重要原因。

2 砷暴露及其致癌机制

砷广泛分布于环境中，在土壤、水、食物以及空气中都有发现，其主要的存在方式是三价的亚砷酸盐和五价的砷酸盐。从1987年开始，砷就被IARC列为一类致癌物质。Waalkes等[20]通过流行病研究显示，低水平暴露于砷及其化合物可增加肾脏、膀胱、肝脏癌症风险。长期饮用含有砷的水可增加皮肤癌的发生风险，而通过吸入的职业砷暴露，与肺癌有关[21]。与此同时，Su等[22]通过流行病研究发现，中国台湾地区口腔癌发病率近年来明显增加，可能与环境污染中的砷及其化合物有密切关系。对于陶瓷、玻璃制造，金属提纯冶炼，以及农药制造和应用都会使人体暴露于高度砷污染的环境中。因此，越来越多的人致力于砷暴露引起癌症发生、发展机制的研究。

1999年Abernathy等[23]通过对砷流行病学以及生物动力学多种研究，综合得出砷的毒性与暴露剂量、频率、持续时间、生物种类、年龄、性别以及个体易患性、基因、营养水平有关。虽然对于砷致癌的机制还不明确，但Miller等[24]提出了砷的9种砷致癌的可能机制：诱导染色体畸变、氧化应激、改变DNA修复、转变DNA甲基化形式、改变生长因子、增强细胞增殖、癌促作用、抑制p53表达以及基因放大作用。而随着对砷致癌机制的研究越来越多，其致癌的多种机制被得到证明。二甲基砷酸(dimethylarsinic acid，DMA)是砷在体内重要的代谢产物，也是砷对机体产生毒性的主要物质。Wei等[25]研究表明，经DMA处理的小鼠乳头状结节状增生、乳头状癌以及移行细胞癌中周期蛋白D1的过表达说明砷可能通过干扰细胞周期诱发肿瘤癌变。但是,Ai等[26]发现，砷处理后的胆囊癌细胞周期蛋白D1的表达却又下降，两者之间存在矛盾，有待进一步实验证实。此外，Lehmann等[27]研究证实，砷同时通过抑制cdc25A细胞周期相关基因的表达来减慢细胞S期的进程。Wei等[25]在砷处理小鼠后还发现83%的乳头状结节状增生，100%的乳头状癌和94%的移行细胞癌中可以发现环加氧酶2的表达。而环加氧酶2作为氧化应激的分子标记，说明DMA可以诱发活性氧类的产生而在其致癌过程中发挥重要作用。Gao等[28]通过电子顺磁共振自旋捕获技术证明砷处理后的细胞展现出明显活性氧类和过氧化氢的提高，活性氧类的产生可能涉及到磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路的激活以及随后缺氧诱导因子1和血管内皮生长因子的诱导。多种基因毒性研究已经表明，砷化合物可抑制DNA修复，通过改变细胞分化和细胞增殖[29]，诱导染色体畸变，姐妹染色单体互换[30-31]。Saleha等[32]通过碱性单细胞凝胶电泳实验证明，砷化合物可以诱导基因扩增，抑制细胞有丝分裂，抑制DNA修复。Flora[33]在论述砷对信号转导通路改变时提到其可以增加细胞的酪氨酸磷酸化，这一机制与细胞不可控性增长和癌症的发生有密切关系。同时，Liu等[34]研究细胞对砷的反应证明，砷是一种细胞外信号相关蛋白激酶，细胞外调节蛋白激酶1和激活蛋白1转录激活活性强有力的刺激物，同时可以诱导c-fos和c-Jun基因表达，这些原癌基因的激活在砷诱发细胞癌变的过程中发挥着同样重要的作用。

3 铅暴露及其致癌机制

目前，铅及其化合物被IARC列为2B类致癌物。日常生活中的水和食物都可能受到铅污染，而职业暴露多发生在冶炼锻造、铅电池生产和汽油添加剂的生产过滤中。美国毒物与疾病登记署公布研究结果表明，铅是一种全身性毒物，其影响着神经、造血、内分泌、免疫、生殖、肝脏、肾脏等系统组织[35-36]。另外，Wang等[3]流行病研究发现，处在铅暴露的环境中，心血管疾病和癌症病死率增加。

Grover等[37]通过基因毒性研究表明，受铅暴露的工人的口腔上皮细胞和外周血淋巴细胞中微核数量明显增高,细胞中期的畸变频率也明显增高。另外，Roy等[38]通过基因毒性分析发现，醋酸铅可以诱导基因突变，同时还可以诱导DNA损伤。但是，Wise等[39]实验表明，除了铅的铬酸盐，铅并没有直接的基因毒性和DNA损伤效应，然而铅的铬酸盐所引起的毒性可能并不是由于铅而是由于六价铬所引起的。Hermes-Lima等[40]研究铅与自由基间的关系表明，铅中毒后通过产生活性氧类从而造成细胞损伤。Grover等[37]研究还发现，铅可以使红细胞中的氨基乙酰丙酸脱水酶减少，而尿液中5-氨基酮戊酸增多，从而氧化产生的自由基增多，引起DNA损伤。另外，Witkiewicz-Kucharczyk等[41]研究发现，铅可以在取代一些DNA修复蛋白锌指结构中的锌，而这些蛋白为转录调节因子，锌被取代后，减少这些蛋白与基因组DNA中的识别元件结合，说明铅暴露所产生的后续反应可能与基因表达有关。

4 汞暴露及其致癌机制

汞是一种具有强挥发性的元素，进入大气后又沉积下来，形成自然循环。汞暴露来源于各种工业生产，电器、油漆工业，测量仪器，农业，牙科材料，以及化学工业。由于汞广泛存在于环境中，人类、植物、动物都不可避免地暴露于汞的一些形态，目前，汞被列为第三类致癌物质。

汞暴露与其致癌作用仍然存在很大争议。Ogura等[42]通过对人外周血的基因毒性研究证明，暴露于氯化汞的淋巴细胞微核率和不稳定染色体畸变明显增加，8-羟基脱氧鸟苷显著高于对照组。8-羟基脱氧鸟苷与活性氧类的形成存在着密切关系，从而引起DNA损伤，而这可以成为癌症发生的原因[43]。这些自由基的产生同时，可以诱导DNA修复，纺锤丝形成以及染色体分离相关蛋白质的构想发生改变。Inoue等[44]证明，无机汞在真核细胞系中可引起突变发生。汞的致癌性与其影响细胞间缝隙连接通讯有关。异常的细胞缝隙连接与癌症的发生存在着密切的关系。尽管氯化汞可以提高细胞间隙蛋白的表达，但是其亚细胞毒性可以抑制细胞间隙连接的通讯[45]。而Piccoli等[46]通过汞的亚细胞毒性研究发现，其毒性是通过改变细胞内氧化还原反应速率以及蛋白激酶A、蛋白激酶C介导的信号转导通路引起线粒体内活性氧类的蓄积及细胞间缝隙通讯异常。

5 小 结

综合研究表明，重金属，如砷、镉、汞、铅等广泛存在于自然界，然而人们的生产活动严重造成了重金属污染。这些重金属污染与癌症的发生有着明显的相关性。重金属致癌机制的研究对于癌症的预防、控制以及治疗具有深远的意义。对于重金属产生氧化应激，取代蛋白质中锌以及原癌基因激活等具体信号转导通路仍有待进一步研究。

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