化學致癌作用(本科)

1、1化學致癌作用化學致癌作用Chemical Carcinogenesis 2010年年10月月2講講 授授 內(nèi)內(nèi) 容容n 腫瘤流行病學和病因學腫瘤流行病學和病因學n 化學致癌多階段學說化學致癌多階段學說n 化學致癌機制化學致癌機制n 與化學致癌相關的分子事件與化學致癌相關的分子事件n 致癌物分類致癌物分類n 化學毒物致癌性的判別化學毒物致癌性的判別n 毒理學試驗的策略轉變毒理學試驗的策略轉變3癌癥發(fā)病癌癥發(fā)病4我國癌癥死亡我國癌癥死亡 年份年份死亡數(shù)死亡數(shù) 1994130萬萬 2000140萬萬 2025270萬萬現(xiàn)今活著的現(xiàn)今活著的12億人口中預計億人口中預計2億將死于癌癥億將死于癌癥5腫瘤

2、細胞腫瘤細胞正常細胞為什么會轉化成腫瘤細胞？正常細胞為什么會轉化成腫瘤細胞？腫瘤細胞腫瘤細胞正常細胞正常細胞基因基因異常異常外源性因素外源性因素內(nèi)源性因素內(nèi)源性因素化學因素化學因素物理因素物理因素致瘤病毒致瘤病毒霉菌毒素霉菌毒素遺傳因素遺傳因素6病因學病因學化學因素：多環(huán)芳烴、芳香胺及偶氮染料類、化學因素：多環(huán)芳烴、芳香胺及偶氮染料類、亞硝胺類、植物毒素和金屬類亞硝胺類、植物毒素和金屬類物理因素：電離輻射、陽光與紫外線、熱輻物理因素：電離輻射、陽光與紫外線、熱輻射、機械剌激射、機械剌激生物因素：病毒（宮頸癌、鼻咽癌）、霉菌生物因素：病毒（宮頸癌、鼻咽癌）、霉菌毒素（肝癌）、寄生蟲（大腸癌、肝癌

3、）毒素（肝癌）、寄生蟲（大腸癌、肝癌）遺傳因素遺傳因素7化學致癌過程化學致癌過程一個一個多因素多因素、多基因多基因參與的參與的多階段多階段過程過程致癌的過程大致分為三個階段：致癌的過程大致分為三個階段： 啟動啟動(initiation) 促進促進(promotion) 進展進展(progression) 組織細胞的病理改變從增生、組織細胞的病理改變從增生、異型變、良性腫瘤、原位癌發(fā)展到異型變、良性腫瘤、原位癌發(fā)展到浸潤癌和轉移癌；浸潤癌和轉移癌； 而在體外細胞水平上則要經(jīng)過而在體外細胞水平上則要經(jīng)過永生化、分化逆轉、轉化等多個階永生化、分化逆轉、轉化等多個階段。段。8致癌過程有多種基因參與：致

4、癌過程有多種基因參與：1. 原癌基因：原癌基因：Ras, Myc2. 腫瘤抑制基因：腫瘤抑制基因：P53, pRB3. 凋亡相關基因：凋亡相關基因：Bcl-24. DNA修復基因：修復基因：BRCA1, MSH1, ATM9人類結腸癌多階段模型人類結腸癌多階段模型Vogelstein, B., et al. Genetic alterations during colorectal-tumor development. N. Engl. J. Med. 319:525, 1988. 化學致癌作用的機制化學致癌作用的機制表觀遺傳表觀遺傳變異變異DNA損傷損傷增殖異常增殖異常凋亡抑制凋亡抑制11化

5、學致癌學說：化學致癌學說：一、親電子劑學說二、體細胞突變學說三、癌基因學說四、癌變的階段學說12體細胞突變學說體細胞突變學說 理論依據(jù)：理論依據(jù)：j致癌物活化代謝后生成的致癌物活化代謝后生成的DNA加合物誘導基因突變；加合物誘導基因突變；k大多數(shù)的致癌物在致突變實驗中呈陽性；大多數(shù)的致癌物在致突變實驗中呈陽性；lDNA修復缺陷可以導致腫瘤發(fā)生，如著色性干皮病、修復缺陷可以導致腫瘤發(fā)生，如著色性干皮病、毛細血管擴張性共濟失調等；毛細血管擴張性共濟失調等；m在許多腫瘤組織中發(fā)生染色體畸變或基因組不穩(wěn)定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；性；n腫瘤細胞來源于單細胞克??；腫瘤細胞來源于單細

6、胞克??；n癌基因的突變以及抑癌基因突變或缺失在腫瘤細胞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。傳遞給子代細胞。 13腫瘤細胞群體來自單一細胞的克隆腫瘤細胞群體來自單一細胞的克隆 最初一個關鍵基因或一系列事件導致某一細最初一個關鍵基因或一系列事件導致某一細胞向腫瘤方向轉化，形成不可控制的細胞增殖，胞向腫瘤方向轉化，形成不可控制的細胞增殖，最后形成腫瘤。最后形成腫瘤。腫瘤發(fā)生的單克隆學說腫瘤發(fā)生的單克隆學說14癌變的二階段學說癌變的二階段學說： 細胞必須發(fā)生兩次突變才能形成腫瘤。遺傳性腫瘤的

7、第一次突變發(fā)生在生殖細胞內(nèi)，并遺傳給后代，后代體細胞又一次發(fā)生突變，使細胞轉化。遺傳性視網(wǎng)膜母細胞瘤遺傳性視網(wǎng)膜母細胞瘤散發(fā)性視網(wǎng)膜母細胞瘤散發(fā)性視網(wǎng)膜母細胞瘤雙側早發(fā)家族性單側晚發(fā)散發(fā)性Knudson： two hit hypothesis 化學致癌物誘發(fā)的腫瘤與特定的基因改變有關化學致癌物誘發(fā)的腫瘤與特定的基因改變有關 與化學致癌物類型有關與化學致癌物類型有關 烷化劑引起烷化劑引起G A置換置換 苯并芘引起苯并芘引起G T顛換顛換 與腫瘤類型有關與腫瘤類型有關 肺癌肺癌 K-Ras基因常見基因常見G T顛換顛換 結腸癌結腸癌K-Ras基因常見基因常見G A置換置換 原發(fā)肝癌原發(fā)肝癌P53基

8、因常見基因常見 249G T顛換顛換 結腸癌結腸癌P53基因常見基因常見 G A置換置換16 不同器官來源、不同組織類型、臨床階段不同器官來源、不同組織類型、臨床階段以至同一種腫瘤在不同地區(qū)所見的遺傳變化是以至同一種腫瘤在不同地區(qū)所見的遺傳變化是不同的。不同的。 多種環(huán)境致癌物，致癌因子或條件可協(xié)同多種環(huán)境致癌物，致癌因子或條件可協(xié)同作用：作用：體內(nèi)：體內(nèi)：活性氧或感染等活性氧或感染等 + 體外：體外：致癌致癌物物 累積作用累積作用或或協(xié)同效應協(xié)同效應 個體的不同遺傳背景對腫個體的不同遺傳背景對腫 瘤的發(fā)生發(fā)展有瘤的發(fā)生發(fā)展有重要影響：重要影響：DNA修復能力缺陷修復能力缺陷腫瘤易感腫瘤易感

9、17什么是癌基因（什么是癌基因（oncogene）?n細胞中與細胞中與v-src基因近緣的基因；基因近緣的基因；n指機體內(nèi)正常細胞所具有的能致癌的遺傳指機體內(nèi)正常細胞所具有的能致癌的遺傳信息，即癌基因的原型；信息，即癌基因的原型；n在正常情況下，原癌基因呈靜止狀態(tài)，對在正常情況下，原癌基因呈靜止狀態(tài)，對細胞無害且具有重要生物學功能，如調節(jié)細胞無害且具有重要生物學功能，如調節(jié)細胞生長、分化、增殖等功能。細胞生長、分化、增殖等功能。癌基因突變學說癌基因突變學說18癌基因的分類與功能癌基因的分類與功能按功能分：按功能分：1 1、生長因子家族、生長因子家族 v-Sisv-Sis2 2、跨膜酪氨酸激酶、

10、跨膜酪氨酸激酶 v-Rosv-Ros3 3、膜相關酪氨酸激酶、膜相關酪氨酸激酶 v-Srcv-Src4 4、絲氨酸、絲氨酸- -蘇氨酸激酶蘇氨酸激酶 v-Rafv-Raf5 5、RASRAS家族家族 v-H-Ras, v-K-Rasv-H-Ras, v-K-Ras6 6、核蛋白、核蛋白-v-Myc, v-Fos-v-Myc, v-Fos19按細胞內(nèi)定位和生物學功能分類按細胞內(nèi)定位和生物學功能分類：1. 生長因子生長因子, Int-22. 生長因子受體生長因子受體, EGFR3. 信號傳導分子信號傳導分子, Fas4. 轉錄因子轉錄因子, Myc5. 細胞凋亡基因細胞凋亡基因, Bcl-26.

11、細胞周期蛋白細胞周期蛋白, CDK420正常功能： 1與細胞生長有關 可促進生長 2潛在致癌性特定條件下： 原癌基因Proto-Oncogene 化學致癌物、病毒、放射線等 突變Mutation “激活”Activation 重排Rearrangement 過量表Over-expression 癌基因Oncogene 擴增Amplification 3個體生長、發(fā)育所必需 “看家基因”House Keeper Genes 進化上高度保守性 4僅在特定組織中具有潛在的致癌性 促進生長的功能 癌基因激活與腫瘤發(fā)生癌基因激活與腫瘤發(fā)生21抑癌基因抑癌基因(Tumor Suppressor Gene）

12、n又稱腫瘤抑制基因（又稱腫瘤抑制基因（tumor suppressor gene），指對細胞生長、），指對細胞生長、增殖和分化起負性調節(jié)的基因增殖和分化起負性調節(jié)的基因;n參與參與DNA修復和細胞凋亡等過程。修復和細胞凋亡等過程。22抑癌基因：抑癌基因：P53P53基因生物學特性基因生物學特性 P53 P53 是細胞生長周期中的是細胞生長周期中的負調節(jié)因子，與細胞周期的調負調節(jié)因子，與細胞周期的調控、控、DNADNA修復、細胞分化、細修復、細胞分化、細胞凋亡等重要的生物學功能有胞凋亡等重要的生物學功能有關。關。23低氧低氧P53DNA損傷損傷（如輻射）（如輻射）癌基因的癌基因的激活激活P21抑

13、制周期蛋白依賴性抑制周期蛋白依賴性激酶激酶（CDK)阻斷細胞周期運行阻斷細胞周期運行DNA修復修復 DNADNA不能修復不能修復細胞重新進入細胞周期細胞重新進入細胞周期細胞凋亡細胞凋亡24Exon Codon PAH adductsCigarette mutationsSmoky coal mutations5154156157158159+7237245248249+8273+Cancer Research 61:6679-6681, 2001 P53 P53 基因突變熱點基因突變熱點人類腫瘤人類腫瘤P53基因突變熱點和頻率基因突變熱點和頻率26非致突變致癌機制：非致突變致癌機制：表表觀遺傳

14、變異觀遺傳變異 細胞異常增生細胞異常增生免疫抑制免疫抑制激素調控異常激素調控異常過氧化酶體增殖劑激活受體過氧化酶體增殖劑激活受體 27表觀遺傳的主要調控方式表觀遺傳的主要調控方式 DNA甲基化甲基化 組蛋白修飾組蛋白修飾 染色質重塑染色質重塑 非編碼非編碼RNA (microRNA, siRNA)28Feinberg A, Nature. 2007 May 24;447(7143):433-40表觀遺傳調控表觀遺傳調控29整個基因組整個基因組的普遍低甲的普遍低甲基化基化部分基因啟部分基因啟動子區(qū)動子區(qū)CpG島高甲基化島高甲基化基因的異常基因的異常激活或抑制激活或抑制基因組不穩(wěn)定基因組不穩(wěn)定性增

15、加性增加印記丟失印記丟失腫瘤細胞腫瘤細胞DNADNA甲基化特征和后果甲基化特征和后果30與化學致癌相關的分子事件與化學致癌相關的分子事件 基因突變基因突變端粒調控與細胞永生化端粒調控與細胞永生化細胞增殖細胞增殖細胞周期調控紊亂細胞周期調控紊亂細胞凋亡與腫瘤發(fā)生細胞凋亡與腫瘤發(fā)生31人體細胞人體細胞 轉化試驗轉化試驗 ST人體細胞人體細胞動物細胞動物細胞正常細胞正常細胞永生化細胞永生化細胞轉化細胞轉化細胞Hahn WC Nature, 1999 細胞永生化是癌變過程中的重要階段細胞永生化是癌變過程中的重要階段 細胞周期失調、端粒酶活化、癌抑基因失活細胞周期失調、端粒酶活化、癌抑基因失活端粒假說端

16、粒假說33n TelomereGenetic Clock34n Telomerase352. 細胞周期失調細胞周期失調 細胞周期關卡細胞周期關卡(cell cycle check point)36S SM MG2G2G1G1Cell cycle靜止期(G0)37G2G2G1G1S SM MCell cyclecyclinscyclinsCDKcyclinsCDKCDKI38G2G2G1G1S SM MCell cycleDPE2FDNA synthesis-related genesE2FRbPE2FCyclin D1CDK4RbPPPPPRbPPPPPE2FE2FE2FE2FDPE2FDNA

17、 synthesis-related genes39細胞增殖與腫瘤發(fā)生細胞增殖與腫瘤發(fā)生40細胞凋亡與腫瘤細胞凋亡與腫瘤凋亡概念凋亡概念 凋亡凋亡（apoptosis)是活體內(nèi)單個細胞的死亡。與基因調節(jié)有關，是活體內(nèi)單個細胞的死亡。與基因調節(jié)有關，也稱為程序性細胞死亡也稱為程序性細胞死亡(programmed cell death, PCD)，是由于細胞增殖與是由于細胞增殖與/或細胞死或細胞死亡調控功能失調所致。亡調控功能失調所致。細胞死亡的模式細胞死亡的模式壞死凋亡 凋亡的生理意義凋亡的生理意義n確保胚胎發(fā)生、確保胚胎發(fā)生、器官發(fā)育器官發(fā)育n調控正常細胞調控正常細胞的數(shù)量的數(shù)量n機體自身保護

18、機體自身保護和防御機制和防御機制凋亡的病理意義凋亡的病理意義n凋亡過度凋亡過度 Alzheimer病、病、肌萎縮肌萎縮n凋亡不足凋亡不足 惡性腫瘤惡性腫瘤42化學致癌物分類化學致癌物分類 致癌物致癌物：（：（carcinogencarcinogen） 組組1 1： 確證的人類致癌物確證的人類致癌物: :人類流行病人類流行病+ +動動 物物致癌致癌 組組2A2A：動物致癌物：動物致癌物( (可能致癌物可能致癌物) )：充分的動物：充分的動物實驗證據(jù)實驗證據(jù) 組組2B2B：可疑致癌物：動物實驗與人類流行病不：可疑致癌物：動物實驗與人類流行病不確證確證 組組3 3： 組組4 4： 非致癌物：目前無致

19、癌證據(jù)非致癌物：目前無致癌證據(jù)43 國際癌癥研究中心（國際癌癥研究中心（International agency for International agency for research on cancerresearch on cancer，IARCIARC）最新公布的對人致癌）最新公布的對人致癌性總評價表顯示，性總評價表顯示，已確證的人類致癌物為已確證的人類致癌物為107107種。種。 http:/monographs.iarc.fr/ENG/Classification/index.phpAgents Classified by the IARC Monographs, Volumes

20、 1100（May, 2010）致癌物（致癌物（IARC)字母順序字母順序.pdfnGroup 1 Carcinogenic to humans 107 agentsnGroup 2A Probably carcinogenic to humans 58 nGroup 2B Possibly carcinogenic to humans 249 nGroup 3 Not classifiable as to its carcinogenicity to humans 512 nGroup 4 Probably not carcinogenic to humans 1 44 致癌物分類（續(xù)）致癌

21、物分類（續(xù)） 按按作用機制作用機制 誘導突變致癌物：以誘導突變致癌物：以DNA為作用靶子的致癌物；為作用靶子的致癌物； 非誘導突變致癌物非誘導突變致癌物: 不改變不改變DNA堿基序列堿基序列 按按作用模式機制作用模式機制 直接致癌物直接致癌物(direct carcinogens) 間接致癌物間接致癌物(indirect carcinogens) 促癌物（促癌物（promotor）：如）：如TPA 45已知致癌物或生產(chǎn)方式已知致癌物或生產(chǎn)方式 靶器官靶器官黃曲霉毒素黃曲霉毒素 肝（肺）肝（肺）4-氨基酚氨基酚 膀胱膀胱砷及砷化合物砷及砷化合物 肺、皮膚肺、皮膚石棉石棉 肺、胸膜、腹膜（胃腸、咽

22、部）肺、胸膜、腹膜（胃腸、咽部）硫酸嘌呤硫酸嘌呤 淋巴系統(tǒng)、間質、肝膽系統(tǒng)、皮膚淋巴系統(tǒng)、間質、肝膽系統(tǒng)、皮膚苯苯 造血系統(tǒng)造血系統(tǒng)聯(lián)苯胺聯(lián)苯胺 膀胱膀胱N-N-雙（雙（2-氯乙基）氯乙基）-2-苯胺苯胺 膀胱膀胱雙氯甲醚及工業(yè)級氯甲甲醚雙氯甲醚及工業(yè)級氯甲甲醚 肺肺1,4,丁二醇丁二醇-二甲磺酸鹽二甲磺酸鹽 造血系統(tǒng)造血系統(tǒng)口服避孕藥（復合）口服避孕藥（復合） 肝肝口服避孕藥（連續(xù)）口服避孕藥（連續(xù)） 子宮子宮氡及其裂變產(chǎn)物氡及其裂變產(chǎn)物 肺肺含石棉纖維的滑石含石棉纖維的滑石 肺肺硫替哌硫替哌 造血系統(tǒng)造血系統(tǒng)Treosulphan 造血系統(tǒng)造血系統(tǒng)氯乙烯氯乙烯 肝、血管（肺、腦、淋巴系統(tǒng)）

23、肝、血管（肺、腦、淋巴系統(tǒng)）酒精飲料酒精飲料 咽、食管、肝、喉、口腔（乳房）咽、食管、肝、喉、口腔（乳房）含非那西丁的退熱劑含非那西丁的退熱劑 膀胱、腎膀胱、腎含煙草的檳榔含煙草的檳榔 口腔、咽喉、食管口腔、咽喉、食管煤焦油瀝青煤焦油瀝青 皮膚、肺、膀胱（咽、口腔）皮膚、肺、膀胱（咽、口腔）煤焦油煤焦油 皮膚、肺（膀胱）皮膚、肺（膀胱）46礦物油（輕度處理或不處理）礦物油（輕度處理或不處理） 皮膚（肺、膀胱、胃腸道）皮膚（肺、膀胱、胃腸道）頁巖油頁巖油 皮膚（胃腸道）皮膚（胃腸道）煙炱煙炱 皮膚、肺皮膚、肺 煙草制品（無煙）煙草制品（無煙） 口腔、咽、食管口腔、咽、食管煙草制品（有煙）煙草制品

24、（有煙） 肺、膀胱、口腔、咽喉、食管、胰、腎肺、膀胱、口腔、咽喉、食管、胰、腎鋁生產(chǎn)鋁生產(chǎn) 肺、膀胱（淋巴系統(tǒng)）肺、膀胱（淋巴系統(tǒng)）金胺生產(chǎn)金胺生產(chǎn) 膀胱（前列腺）膀胱（前列腺）鞋制造與修理鞋制造與修理 鼻腔、造血系統(tǒng)（咽、肺、肝、胃、腸鼻腔、造血系統(tǒng)（咽、肺、肝、胃、腸 道、膀胱）道、膀胱）煤氣生產(chǎn)煤氣生產(chǎn) 皮膚、肺、膀胱皮膚、肺、膀胱焦煤生產(chǎn)焦煤生產(chǎn) 皮膚、肺、腎皮膚、肺、腎硬木家具生產(chǎn)硬木家具生產(chǎn) 鼻腔鼻腔鋼鐵冶煉鋼鐵冶煉 肺（胃腸、生殖泌尿系統(tǒng)、造血系統(tǒng)）肺（胃腸、生殖泌尿系統(tǒng)、造血系統(tǒng)）異丙醇生產(chǎn)異丙醇生產(chǎn) 鼻腔（咽）鼻腔（咽）品紅生產(chǎn)品紅生產(chǎn) 膀胱膀胱職業(yè)油漆工職業(yè)油漆工 肺肺橡膠

25、業(yè)橡膠業(yè) 膀胱、造血系統(tǒng)（肺、胃腸道、皮膚、淋巴系統(tǒng)）膀胱、造血系統(tǒng)（肺、胃腸道、皮膚、淋巴系統(tǒng)）已知致癌物或生產(chǎn)方式已知致癌物或生產(chǎn)方式 靶器官靶器官47化學毒物致癌性的判別化學毒物致癌性的判別必須具備兩個方面的證據(jù)：必須具備兩個方面的證據(jù)：1. 1. 人群流行病學調查人群流行病學調查 要求：要求：不同地點不同地點、不同對象不同對象、不同的調不同的調查方法查方法2. 2. 動物實驗動物實驗 要求：要求：不同地點不同地點、不同動物種屬不同動物種屬 GLPGLP認證實驗室進行認證實驗室進行從定性和定量兩個方面進行從定性和定量兩個方面進行48致癌物判斷的基本方法致癌物判斷的基本方法一、短期試驗一、

26、短期試驗 致突變試驗組合致突變試驗組合 細胞轉化試驗細胞轉化試驗1. 哺乳動物短期致癌試驗：小鼠肺、皮哺乳動物短期致癌試驗：小鼠肺、皮膚腫瘤誘導、大鼠乳腺癌誘導、大鼠膚腫瘤誘導、大鼠乳腺癌誘導、大鼠肝轉變灶試驗肝轉變灶試驗491485種化學物致突變試驗和致癌試驗種化學物致突變試驗和致癌試驗結果一致性比較結果一致性比較n美國致癌性數(shù)據(jù)庫 The Carcinogenic Potency Database(CPDB) / 50Ames實驗致癌實驗（大鼠）Ames實驗和致癌實驗都進行陽性陰性陽性率陽性陰性陽性率Ames陽性致癌陽性二者陽性34355

27、638.1534582529.49343345238共899種共1170種共721種p大鼠試驗檢測出的致癌物中Ames試驗檢出率為69.0%，Ames試驗檢出的致突變物中大鼠致癌試驗的檢出率為69.4%。p可見化合物在大鼠實驗中Ames實驗和致癌實驗的一致性較高。51 短期試驗注意問題：短期試驗注意問題： 陽性結果意義較大；陽性結果意義較大； 陰性并不一定安全陰性并不一定安全：一些化合物可對：一些化合物可對于嚙齒類動物具有致癌作用，而于嚙齒類動物具有致癌作用，而Ames試驗或其他誘變試驗系統(tǒng)則呈現(xiàn)陰性；試驗或其他誘變試驗系統(tǒng)則呈現(xiàn)陰性； Ames試驗與動物試驗相關顯著性最試驗與動物試驗相關顯著性最高，特異性也最高，但敏感性最低；高，特異性也最高，但敏感性最低； 如何檢出非誘變性致癌物？如何檢出非誘變性致癌物？52二、動物長期誘癌試驗動物長期誘癌試驗 在判別化學物致癌性方面具有很高價值；在判別化學物致癌性方面具有很高價值； 與人群流行病學研究相比，更適于闡明與人群流行病學研究相比，更適于闡明 致癌機理，研究有關影響因素的作用；致癌機理，研究有關影響因素的作用； 可嚴格控制實驗條件；可嚴格控制實驗條件； 局限性：結果外推到人存在不肯定性。局限性：結果外推到人存在不肯定性。致癌物判斷的基本方法（續(xù)）致癌物判斷的基本方法（續(xù)）53試驗動物和條件選擇試驗動物和條件選擇（一）動物選擇：