《毒理學基礎》第八章化學致癌預防大綱

第八章

化學致癌作用

總體內(nèi)容

?一、序言

?二、致癌化學過程

?三、化學致癌機制(遺傳毒性和非遺傳毒性)

?四、化學致癌相關的分子事件

?五、化學致癌物的分類

?六、化學致癌物篩查的基本方法

第Zk一-PW-

序言

腫瘤是一類嚴重影響人類健康和生命的疾病

外因

(病原因素)

ABoykmd指出：“人類腫瘤由病毒等生物因素引起的不足5%,放射線和紫外線等

物理因素引起的也不超過5%,約有90%是化學物引起的。

AHigginson提出：環(huán)境因素引起的腫瘤占人類腫瘤的70%?90%,遺傳所引起的

腫瘤不超過5%。

幾個概念

?化學致癌作用(chemicalcarcinogenesis)是指化學物質(zhì)引起生物體產(chǎn)生腫瘤

的過程。

?化學致癌物(chemicalCarcinogen):是指能引起腫瘤的或使腫瘤發(fā)生率增加的

化學物。

第二節(jié)化學致癌過程

化學致癌作用——一個多基因、多因素參與的多階段過程

一、細胞癌變的多階段學說

目前比較公認的學說是化學致癌過程至少包括三個階段：

A啟動階段(initiation)

'*促進階段(promotion)

*演變階段(progression)

(-)啟動階段

在此階段中，致癌物直接作用于DNA的序列，引起基因突變或表觀遺傳變

異，使單個細胞或少量細胞發(fā)生永久性的、不可逆的遺傳性改變，此種細胞稱

為“啟動細胞”(initiatedcell),誘發(fā)細胞突變的因素稱為啟動劑。

目為腫瘤的潛能。

或啟動過程的特點之一是不可逆性，就是說它的突變已經(jīng)固定下來了。

（二）促進階段

啟動細胞在某些因素作用下，以相對于周圍正常細胞的選擇優(yōu)勢（使啟動

細胞比正常細胞增殖增多或細胞凋亡相對減少）進行克隆擴展，形成細胞群，

即良性腫瘤，這就是致癌作用的第二階段，稱為促進階段，起促進作用的因素

稱作促進劑或促癌劑。

促進劑的特點：

A器官特異性

A物種特異性

A具有閾劑量

A是一個可逆的過程

＞大多數(shù)促進劑是通過受體介導起作用的

啟動劑和促進劑的關系特點：

1.啟動劑作用之后，促癌劑的慢性作用將引起腫瘤；

2.啟動劑單獨作用一般不會引起腫瘤；

3.只有促癌劑的慢性作用而沒有啟動劑的作用也不會引起腫瘤；

4.啟動劑與促癌劑的作用先后次序十分重要，啟動必須發(fā)生在促進之前；

5.啟動產(chǎn)生的是不可逆的改變，促進在早期階段的改變是可逆的。

常見的促進劑

/弗波醇酯（TPA）：12■鄰十四烷酰大戟二菇醇?13?乙酸酯,用于小鼠皮膚癌模型

的促進劑

/苯巴比妥肝臟腫瘤

/TCDD大鼠肝臟腫瘤，皮膚和肺

/雌、雄激素靶器官及肝臟腫瘤

/膽汁酸促進結(jié)腸的癌前病變和惡性改變

促進劑的作用機制

?腫瘤促進過程作用機制復雜，很可能通過非遺傳過程而發(fā)生。

》促癌劑不與DNA發(fā)生反應，不會引起基因突變，促進階段似乎不涉及到遺傳物

質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變，而是依賴于基因表達的改變。

DNA甲基化和低甲基化

。在脊椎動物中，CpG二核甘酸是DNA甲基化發(fā)生的主要位點。CpG常成簇存

在,人們將基因組中富含CpG的一段DNA稱為CpG島（CpGisland）

CpG甲基化

》TPA通過與蛋白激酶C（proteinkinaseCZPKC）高度特異性可逆結(jié)合。PKC參

與膜上信號的信號傳遞或刺激反應。

（三）演變階段

啟動和促進兩個階段所引起瀛性損傷并不是致死性的。良性腫瘤需要通

過一個稱作演變的過程才能轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒阅[瘤。

隨著惡性度的增加，腫瘤開始獲得一些新的性質(zhì)：

＞侵襲性

＞免疫抗性

＞耐藥性

＞產(chǎn)生新的血管使肺癌細胞能從血液中獲得營養(yǎng)物質(zhì)和氧分

?良性腫瘤演變?yōu)楦叨葠盒缘?、致死性的癌往往涉及一系列遺傳改變，概括為核

型不穩(wěn)定和表型的異質(zhì)性。

?使細胞由促進階段進入到演變階段的因素稱為演變劑。

A有些化學致癌物同時具有啟動、促進和演變的作用，稱為完全致癌物。

微衛(wèi)星不穩(wěn)定microsatalliteinstability^MSI）

微衛(wèi)星（microsatellite,MS）是指DNA基因組中小于10個核苜酸的簡單

重復序列，又稱短串聯(lián)重復，如（CA）n、（GT）n、（CAG）n等，尤以（CA）n重復序列

最為常見。

微衛(wèi)星不穩(wěn)定性是指由于DNA復制錯誤引起的簡單重復序列的增加或丟失，

是腫瘤中基因不穩(wěn)定性一項靈敏的標志。

第三節(jié)、化學致癌機制

箱體細胞突變學說

或非突變致癌機制

一體細胞突變學說

①DNA加合物誘導基因突變；

②大多數(shù)的致癌物在致突變實驗中呈陽性；

③DNA修復缺陷可以導致腫瘤發(fā)生；

④在許多腫瘤組織中發(fā)生染色體畸變或基因組不穩(wěn)定性；

⑤腫瘤細胞來源于單細胞克??；

⑥癌基因的突變以及抑癌基因突變或缺失在腫瘤細胞中普遍存在，而且突變的基

因型可以通過細胞分裂傳遞給子代細胞。

（一）DNA加合物

DNA加合物形成的后果取決于加合物在DNA鏈上的位置和加合物的

性質(zhì)

接觸標志物和效應標志物

（二）基因與癌變

腫瘤是細胞中多種基因突變累積的結(jié)果。這些基因突變主要發(fā)生在兩

類細胞基因：

》癌基因(oncogene)

>抑癌基因(tumorsuppressorgene)

火病毒癌基因（viraloncogene,V-onc）:某些RNA病毒能在動物迅速誘發(fā)腫瘤并

能在體外轉(zhuǎn)化細胞，其含有能夠轉(zhuǎn)化細胞的RNA片斷

火細胞癌基因（cellularoncogere,C-onc）:正常細胞的DNA中也發(fā)現(xiàn)存在與病

毒癌基因幾乎完全相同的DNA序列

X由于細胞癌基因在正常細胞中以非激活的形式存在，故又稱為原癌基因

TIG遺傳命名指南

細菌：基因符號由三個小寫斜體字母組成。具有相同表型的不同基因座突變

用斜體大寫字母后綴相區(qū)別，如NWA、uvrB

等位基因用緊隨基因座名稱后的一系列特定的數(shù)據(jù)表示，如waA/、

araA2

蛋白質(zhì)產(chǎn)物的名稱與對應的基因或等位基因相同，但不用斜體，而

且首字母大寫，如UvrA、UvrB

（一）原癌基因的分類

1.編碼生長因子的原癌基因

猴肉瘤病毒中的v?sis是第一個被發(fā)現(xiàn)能編碼生長因子的癌基因。原癌

基因S/S的異常表達，可引起具有PDGF（血小板衍生生長因子）受體細胞的轉(zhuǎn)化

原癌基因/AT?2、8ST的表達產(chǎn)物與成纖維細胞生長因子有40%?50%的同

源性

2.編碼生長因子受體的原癌基因

AERB與上皮生長因子的受體同源

>MET屬于肝細胞生長因子受體

》FMS為單核巨噬細胞集落刺激因子受體

——這類受體均屬于受體蛋白酪氨酸激酶

3.編碼細胞內(nèi)信號分子的原癌基因

起“第二信使”作用，引起細胞增殖。分為：

①非受體酪塞酸蛋白激轉(zhuǎn)如"sre

②胞漿絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶如創(chuàng)麗的S

③三磷酸鳥甘結(jié)合蛋白如創(chuàng)德族

A創(chuàng)5g因家族有，-創(chuàng)S、芥池卵心創(chuàng)個成員，都編碼G蛋白，主要調(diào)節(jié)激素等

信號通路。

?G蛋白與GDP、GTP和刺激信號的關系

A股建因突變的后果

4.編碼轉(zhuǎn)錄因子的原癌基因

>初々基因,神經(jīng)細胞瘤基因）和小細胞肺癌（L-〃%基因）

>CFO^C期癌基因的產(chǎn)物結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄因子AP1

（二）原癌基因的激活

1.原癌基因點突變

RAS基因的點突變主要發(fā)生于12位密碼子，其次是13位，再就是59和61

位，多是三連密碼子第二位堿基發(fā)生置換，改變了G蛋白的構(gòu)象。

例：亞硝基甲基服誘發(fā)的鼠乳腺癌中，”?凡4s基因的12密碼子的GGC變成了

GAC

2.染色體易位和重排

易位或基因重排，都可以激活癌基因，引起原癌基因的高度表達。如

Burkitt淋巴瘤t(8;14),6sm曲8號易位到了14號染色體免疫球蛋白重鏈

基因附近

3.基因擴增

A原癌基因的擴增是指在致癌因素作用下，基因的結(jié)構(gòu)基本正常，但基因的拷貝

數(shù)增多，導致基因產(chǎn)物大量增加。

/雙微體(double-minutechromosome,DMS)和染色質(zhì)均染區(qū)(homogeneous

stainingreguibsm,HSRs)

(三)抑癌基因

正常細胞與癌細胞溶合后成瘤力和轉(zhuǎn)移能力均受抑制，表明正常細胞中存在

抑制癌細胞特征性表達的某種機制。以后又發(fā)現(xiàn)融合的細胞的核型不穩(wěn)定，容

易發(fā)生染色體丟失，當失去源于正常細胞的染色體時，腫瘤的成痛性又恢復。

匕抑癌基因必須一對等位基因丟失或突變后失活，才能對細胞的惡性轉(zhuǎn)化起作

用，故又稱為隱性癌基因。

匕到目前為止發(fā)現(xiàn)的抑癌基因少于癌基因，已被克隆和尚未被克隆的候選抑癌基

因，總共只有30余種。

幾種抑癌基因簡介

R5基因

?定位于人類染色體的12ql4

?二次突變學說和雜合性丟失(lossofhatcrozygosity,LOH)

?功能：抑制轉(zhuǎn)錄因子E2F以抑制細胞周期。E2F能活化DNA聚合酶等與DNA合

成密切相關的重要酶類基因的轉(zhuǎn)錄，使細胞從G1期進入S期。

尸因

尸53基因位于人類染色體17Pl3,野生型P53蛋白是一種核結(jié)合蛋

白。

P53的生物學功能：①抑制細胞增殖：正常的P53蛋白在DNA損傷或缺氧時

活化DNA修復基因等上調(diào)性轉(zhuǎn)錄，使細胞周期在Gi期停滯，進入DNA修復。

②誘導細胞凋亡

③P53誘導分化發(fā)育

(二)DNA修復與化學致癌

二、非遺傳毒性致癌機制

(-)表觀遺傳調(diào)控失常導致腫瘤發(fā)生

在基因組中除了DNA和RNA序列以外，還有許多調(diào)控基因的信息，它們

雖然本身不改變基因的序列，但是可以通過基因修飾，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、

DNA和其它分子的相互作用，而影響和調(diào)節(jié)遺傳基因的功能和特性，并且通

過細胞分裂和增殖周期影響遺傳。

(二)細胞異常增生致癌

為什么細胞增殖會引起腫瘤？

，A.細胞分裂過程中S期細抱DNA處于解螺旋狀態(tài)，富含電子的部位大量暴露，易

受到親電物的攻擊；

細胞增殖速度加快，使細胞周期縮短，進入S期前用于DNA修復的時間減少；

/C.啟動細胞需要增殖才能繼續(xù)演變?yōu)閻盒阅[瘤

(三),免疫抑制劑致癌

由腫瘤的發(fā)生是免疫監(jiān)視功能喪失的結(jié)果

機制：選擇性放任痛前細胞存在和增生。

(四).內(nèi)分泌激素失衡

有絲分裂劑主要通過以下途徑促進有絲分裂：

①與受體結(jié)合后，或通過第二信使，或者直接調(diào)節(jié)與生長有關基因的表達

②通過改變DNA甲基化水平而影響基因的表達

(五)過氧化酶體增殖劑激活受體

?過氧化酶體是位于細胞質(zhì)中的單層膜的細胞器，肝細胞中最多。其作用除了清

除ROS外，對脂質(zhì)代謝有作用，對脂肪酸的分解過程中釋放ROS。部分化學物

有刺激肝臟過氧化物酶體增生的作用，這類物質(zhì)統(tǒng)稱為過氧化酶體增殖劑。故

認為過氧物酶體增殖劑可通過ROS損傷DNA而啟動肝細胞。

?過氧化酶體增殖劑具有刺激細胞增生的功能，主要通過與一種雌激素樣核受體

一過氧化物酶體增殖物激活受體Y(peroxisomeproliferator-activatedreceptor-

Y,PPAR-Y)結(jié)合并激活此受體。

第四節(jié)

化學致癌相關的分子事件

一、端粒危機與癌變關系

?細胞的復制次數(shù)是由一種位于染色體末端的叫做端粒(telomeres)的DNA重復序

列(TTAGGG)控制的。——細胞的生命計時器

端粒對染色體結(jié)構(gòu)的完整性和整個基因群的穩(wěn)定性是必需的。

?腫瘤的發(fā)生：與端?？s短和端粒酶的激活有密切的關系

?端粒序列的縮短會造成染色體不穩(wěn)定性增加，導致染色體結(jié)構(gòu)異常。

?“端粒假說”：

端?？s短M,M2細胞永生

抑癌基因失活激活端粒酶

A端粒酶是催化端區(qū)DNA合成的酶，以連續(xù)或非連續(xù)方式延伸端粒DNA

》在大多數(shù)體細胞中，不含有端粒酶

A腫瘤細胞能夠幾乎無限制的復制

A絕大多數(shù)的惡性腫瘤細胞都含有一定程度的端粒酶活性

（二）細胞周期調(diào)控系統(tǒng)紊亂與癌變的關系

腫瘤是一種細胞周期異常的疾病

參與細胞周期調(diào)控的分子主要有：

》細胞周期蛋白（cyclin）

?細胞周期蛋白依賴性激酶（CDK）

A細胞周期蛋白依賴性激酶抑制蛋白（CKI）

《邪細胞周期

&期，S期，G期和M期

＜第細胞周期的兩個關卡：G-S轉(zhuǎn)換和G2-雌換

。嶼檢測點：

DNA損傷用3為1轉(zhuǎn)錄

P21抑制CDK的激活，阻滯G1/S

（四）細胞凋亡與癌變的關系

“細胞惡性轉(zhuǎn)化是由于細胞增殖與/或細胞死亡調(diào)控功能失調(diào)所致”。

0凋亡受到抑制，也可使細胞的數(shù)目增多

控制細胞凋亡的基因有兩大類：

?第一類是促進細胞凋亡的基因，如尸53、RB,WT-1

A第二類是能抑制細胞調(diào)亡的基因，如、RAS和SRC。

第五節(jié)

化學致癌物的分類

—,分類

（一）.按對人和動物致癌作用分類（IARC）

組1：對人類是致癌物，109種

組2：對人很有可能致癌或可能致癌，又分為兩組：

2A；對人很有可能致癌物

2B：對人可能致癌物

組3：對人的致癌性尚無法分類，即可疑致癌物

組4：對人很可能是非致癌物，1種（己內(nèi)酰胺）

1.EPA和IARC分類

2.動物實驗證據(jù)評價標準

＞致癌性證據(jù)充分

＞致癌性證據(jù)有限

＞致癌性證據(jù)不足

＞致癌性證據(jù)陰性

＞沒有可用資料

(二)按化學致癌作用模式分類

1.直接致癌物(dirctionactingcarcinogen)

2.間接致癌物(indirctactingcarcinogen)

3.促癌劑(tumorpromotingagent)

間接致癌物

?前致癌物(precarcinogens)本身并不致癌，必須在體內(nèi)經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化，其形成的

代謝產(chǎn)物才具有致癌作用。

?近致癌物(proximatecarcinogens)指前致癌物經(jīng)代謝活化過程形成一種或一系

列中間代謝產(chǎn)物。

?終致癌物(ultimatecarcinogens)指不需代謝活化的直接致癌物和間接致癌物

經(jīng)代謝活化所形成的具有致癌作用的代謝物的總稱。

第六節(jié)化學物致癌物篩查的基本方法

一、構(gòu)效關系分析預測致癌性

構(gòu)效關系分析(structureactivityrelationshipanalysis)是把已知生物活性

的化學物的有關結(jié)構(gòu)參數(shù)與其生物需性歸納分析，得.一定規(guī)律，以此來推測

與其結(jié)構(gòu)相似的化合物的生物活性。

二、遺傳毒性試驗

近年來以致癌機理中最重要的DNA為靶分子為基礎，提出了以簡單快速的致

突變試驗作為檢測化學致癌物篩試手段。

假陽性(falsepositive)和假陰性(falsenegative)

/假陽性是指一些非致癌物在致突變試驗中表現(xiàn)出陽性結(jié)果

/假陰性是指一些致癌物在致突變試驗中表現(xiàn)出陰性結(jié)果

靈敏度與特異度

?靈敏度=陽性結(jié)果的致癌物數(shù)/致癌物總數(shù)

A特異性=陰性結(jié)果的非致癌物數(shù)/非致癌物總數(shù)

三、細胞惡性轉(zhuǎn)化試驗

A利用培養(yǎng)的哺乳動物細胞接觸化學物后，觀察細胞轉(zhuǎn)化為癌細胞的試驗。

A三類細胞：①原代細胞；②細胞系；③病毒感染細胞

A目的：了解化學物能否使體外培養(yǎng)的細胞自控生長能力喪失。

A觀察終點：惡性變的細胞。

觀察指標

/永生化細胞系：BALB/C-3T3轉(zhuǎn)化細胞系

/永生化細胞的形態(tài)

/惡性變細胞的形態(tài)

,進一步鑒定

BALB/C-3T3

黑色素瘤

四、哺乳動物致癌試驗

分為兩種：終身動物試驗和短期動物試驗

(-)短期動物致癌試驗

園快速動物實驗能縮短實驗期限的關鍵是觀察終點不是惡性腫瘤為目的，而是以

癌前病變?yōu)槟康摹?/p>

A.幾種短期動物致癌試驗方法簡介

(1)小鼠皮膚腫瘤誘發(fā)試驗

A試驗所用的染毒途徑為皮膚涂抹或皮下注射。染毒一次或多次，20周即可觀察

結(jié)果。

＞本試驗也可作為促癌試驗使用。

(2)小鼠肺腫瘤誘發(fā)試驗

用對肺腫瘤誘發(fā)特別敏感的A/J系小鼠作誘發(fā)試驗，所誘發(fā)的是肺腺瘤和乳

頭狀瘤，陽性結(jié)果不單是表現(xiàn)為發(fā)生率增加，而且有多發(fā)傾向。本試驗染毒時

間只需30~35周，最短12~16周即可結(jié)束。

(3)大鼠肝臟轉(zhuǎn)變灶誘發(fā)短期試驗

?原理：是利用實驗性肝癌與原發(fā)性肝癌的發(fā)生都有明顯的階段性，其中癌前病

灶能用酶組織化學來檢測。正常的肝細胞中丫一谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶(YGT)活性極

低不能檢出，葡萄糖6磷酸酶(G?6?Pase)和三磷酸腺昔酶(ATPase)活性較

高，而轉(zhuǎn)變灶則表現(xiàn)為YGT活性升高，G?6?Pase和ATPase活性降低。

(4)雌性大鼠乳腺癌誘發(fā)試繚

?雌性大鼠乳腺癌誘發(fā)試驗常用來檢測多環(huán)芳尼等化學物的致癌性，因這類物質(zhì)

?？梢鸫菩源笫笕橄侔┌l(fā)生率增高，而且在6個月內(nèi)即可出現(xiàn)陽性結(jié)果，除發(fā)

瘤率增高外也有多發(fā)性傾向。

B.試驗設計及結(jié)果評價

A陽性

A陰性

(二)長期動物致癌試驗

在致癌物危險評估中，兩年鼠類實驗的腫瘤發(fā)生率是主要指標。

A.動物選擇

在長期動物致癌試驗中動物的選擇最重要的一點是對腫瘤的感受性，

特別是受檢物有特定的靶器官時尤為重要。

近交系較遠交系好：腫瘤自發(fā)率穩(wěn)定，實驗結(jié)果重現(xiàn)性好，較易得到良

好的劑量反應關系。

缺點：抵抗力下降，其營養(yǎng)與飼養(yǎng)條件要求增高，生育能力下降，適應

環(huán)境能力下降。

年齡：剛斷乳或斷乳不久的動物，斷乳后1?2周更好，

B.動物數(shù)量

?長期致癌試驗每一劑量組每種性別不得少于50只。