铬是环境中常见的重金属污染物，其污染主要来自于铬矿冶炼、制革、电镀和化工等工业生产以及工业排放的含铬废水、废气及废渣等。国际癌症研究机构(IRAC，1990)已将 Cr(Ⅵ)列为人类致癌物。经过各国学者的不断研究，目前已从多种不同的角度解释了铬的基因毒性。除了对 DNA 损伤的机制研究之外，基因表达及信号通路等方面的研究亦日益受到关注。
1 Cr(Ⅵ)的代谢及产物铬在自然界中主要以 Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)形式存在。Cr(Ⅲ)一般认为是人体必需的微量元素，且无法通过细胞膜; Cr(Ⅵ)对人类具有明显的基因毒性，但在生理 pH 及温度条件下，Cr(Ⅵ)无法直接与DNA 相互作用，不表现直接的基因毒性，Cr(Ⅵ)的基因毒性来源于其在细胞内的代谢产物[1] 。Cr(Ⅵ)可通过非特异性离子通道进入细胞内，Cr(Ⅵ)进入细胞后被还原成 Cr(Ⅴ)、Cr(Ⅳ)及 Cr(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)是其最终形式。Cr(Ⅵ)的还原产物具有广泛的 DNA 损伤作用，可抑制 DNA 的复制，在生理条件下，Cr(Ⅵ)可被细胞内谷胱甘肽、半胱氨酸、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、维生素 C、细胞色素 P450、硫辛酸等还原[1] 。Cr(Ⅵ)在还原过程中不仅产生一系列中间价态，还会产生多种不稳定的自由基如硫醇基、氢氧根自由基、过氧化氢、超氧阴离子等[2] ，造成 DNA、RNA、蛋白质及脂质氧化损伤[3] 。
2 Cr(Ⅵ)导致的 DNA 损伤在细胞内，Cr(Ⅵ)还原的中间产物可导致 DNA加合物形成、DNA 双链断裂、DNA 与蛋白质的交联、DNA 双链间的交联[4] 。Cr(Ⅲ)含有6个配位位点，能与多种配体如 DNA、氨基酸及蛋白质形成络合物。在细胞内，由 Cr(Ⅵ)还原产生过量的 Cr(Ⅲ)对基因最严重的损害之一是其与 DNA 的磷酸二酯键骨架形成加合物，这也是 Cr(Ⅵ)致突变的机制之一[1]，Cr(Ⅲ)与 DNA 加合物可继续形成配体更加重了对基因组的损伤[5] 。利用 Cr(Ⅵ)处理过的质粒转染 SV-40人成纤维细胞实验结果表明，最具致突变性的加合物形式为三元加合物，如 Cr(Ⅲ)-半胱氨酸-DNA 及 Cr(Ⅲ)-抗坏血酸-DNA 加合物明显高于二元加合物的致突变性[6] 。Cr(Ⅵ)导致的DNA 损伤表现为扰乱 DNA 复制及转录、引起碱基替换和缺失、降低基因组的稳定性[7] 。体内外实验研究表明，碱基替换在 Cr(Ⅵ)致突变作用中起着重要的作用，主要是引起 G-C 替换，但 Cr(Ⅵ)并不引起特异性碱基缺失[6] 。
Cr(Ⅴ)可直接氧化 DNA，脱去脱氧核糖 C-1或C-4位上的氢原子导致 DNA 链的断裂[8] 。Cr(Ⅵ)在还原过程中产生不稳定且具有较强的 DNA 氧化损伤作用的自由基，其中氢氧根自由基是产生最多，也是主要导致 DNA 损伤的自由基。Cr(Ⅵ)诱导DNA 断裂程度与氢氧根自由基相对量呈正相关[9] ，在不影响 Cr(Ⅴ)的情况下，加入一种氢氧根自由基清除剂可抑制 DNA 单链断裂[10] 。这些自由基还可将碱基氧化产生8-羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG)，而8-OHdG 被认为是细胞氧化应激的标志物，可以引起 G-T 和 A-C 颠换，具有同任何碱基配对的能力，并可作为 Cr(Ⅵ)中毒检测指标之一[11] 。
3 Cr(Ⅵ)对基因表达的影响研究表明 Cr(Ⅵ)调控基因的正负表达依赖于细胞内 DNA 和蛋白质结构与 Cr(Ⅲ)结合。Ye等[12] 对在浓度为300μM Cr(Ⅵ)暴露2h 的 A549细胞做了大量研究工作，发现大量基因表达发生改变，这些基因的功能涉及:氧化还原代谢、能量代谢、蛋白合成、细胞周期及肿瘤产生。将 A549细胞暴露于10μM Cr(Ⅵ)中1h，表皮生长因子受体(EGFR)及表皮生长因子受体2(Her2/HerB2)的表达显著下降，暴露24h 后 ErbB2受体表达显著上升，而 EGFR 的表达则回到基础水平[13] 。这表明 Cr(Ⅵ)调控基因的表达具有选择性及短暂性。将人支气管上皮细胞 BEAS-2B 细胞及初级平滑肌细胞分别暴露于10μM Cr(Ⅵ)，4h 后2株细胞均下调了 c-myc、cyclin K、cyp1b1、MAPKNPK-2、PP1A、FGFR1、HSP90及 Akt1的表达[14] 。9μM 的 Cr(Ⅵ)可使人肺成纤维细胞上调 p21、GADD45及 p15，下调 cyclinA、Bcl-2、Bcl-xl，Bcl-w。100mg/kg 重铬酸钾灌胃的小鼠，其肝脏 p53、Bax 表达升高; Bcl-2表达下降[15] 。在2011年基因芯片分析研究中，10μMCr(Ⅵ)引起鼠肝细胞株 H4-Ⅱ-E-C3大量基因表达发生变化，研究者检测的992个基因中456个基因表达发生改变，这些基因的功能涉及细胞生长及细胞周期、核酸切除修复、DNA 代谢、氧化应激、凋亡等[16] 。5μM Cr(Ⅵ)使 L-02人胚肝细胞株microRNA，R-370、miR-let-7和 miR-125b 表达上调，miR-122和 miR-137表达下调[17] 。microRNA 在基因表达调控中发挥极其重要的作用，其调控人类至少1/3的基因。
生存信号通路的激活能提高细胞生存率以及由DNA 损伤导致的基因不稳定性，并且能够解释部分Cr(Ⅵ)致癌的分子机制。因此，阐明 Cr(Ⅵ)暴露后基因调控机制对于解释生存信号通路激活的分子机制极其重要。
4 Cr(Ⅵ)对生存信号通路的影响研究表明 MAPK(促分裂原活化蛋白激酶)信号在 Cr(Ⅵ)暴露后被激活，但是其活性呈浓度依赖性。10μM 的 Cr(Ⅵ)可以激活人呼吸道上皮细胞MAPKs、ERK(细胞外信号调节激酶)及 p38[18] ;50μM Cr(Ⅵ)激活小鼠胚胎干细胞 JNK1/2、p38及ERK1/2[19] ; 在无毒浓度下，Cr(Ⅵ)选择性的提高A549细胞 MAPK 及 JNK(c-Jun 氨基端激酶)的活性[18] 。6μM Cr(Ⅵ)可提高人肺成纤维细胞 ERK活性，但是在抑制 ERK 之后，MAPK 的活性并没有改变，并且细胞基因的表达及增殖没有受到影响[4] ，这表明 ERK 的激活不是 Cr(Ⅵ)诱导细胞毒作用的中介者。Cr(Ⅵ)可直接刺激人前列腺癌DU145细胞 VEGF(血管内皮生长因子)的表达及分泌。VEGF 是血管生成的主要介导者，并且在呼吸紊乱疾病如哮喘、纤维化病变、休克及肿瘤中起着一定的作用[20-21] 。Nemec 等[21] 的实验结果表明 Cr(Ⅵ)诱导产生的 STAT1(信号传导及转录激活因子1)是抑制 SP1及 VEGF-A 转录所必需的，STAT1是 Cr(Ⅵ)介导的基因调控的限速因子。
哺乳动物 Src 激酶家族包括 Src、Yes、Fyn、Fgr、Lck、Blk、Lyn 及 Frk。这些信号转换子与一些恶性肿瘤的发生发展有关[23] 。体外研究表明，Cr(Ⅵ)可直接激活 Src 激酶家族而不用通过 ROS 产生。另外，Cr(Ⅵ)可选择性的激活 Fyn 及 STAT1依赖的干扰素样信号基因转录活性[24] 。Cr(Ⅵ)通过激活STAT 活化 BEAS-2B 细胞干扰素激活反应元件(ISRE)，进而激活天然免疫应答基因—IRF7(干扰素调控因子7)。如果将 BEAS-2B 细胞的 Src 相关基因敲除，Fyn 将会抑制 Cr(Ⅵ)激活 STAT1介导的IRF7的活化[24] 。
Akt 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，是 PI3K 生存信号通路的介导者。在人类肺成纤维细胞中，Akt-1的激活可控制 Cr(Ⅵ)诱导的 G1/S 细胞周期的转变[25] 。在体内实验中 Akt 被证实参与 Cr(Ⅵ)诱导的基因毒性作用[26] 。
5 Cr(Ⅵ)对肿瘤形成的影响流行病学及统计学研究已确定由呼吸道摄入Cr(Ⅵ)可引起人呼吸系统形成肿瘤。但不是所有Cr(Ⅵ)化合物都具有致癌性，相对难溶的微粒 Cr(Ⅵ)化合物致癌性及毒性最大[27] 。体内试验及细胞培养试验均证实 Cr(Ⅵ)可增加肿瘤的发生率[28-29] 。Cr(Ⅵ)导致的肺肿瘤细胞的特点是p16INK4A 甲基化异常，低 p53突变率、MLH1表达缺失、微卫星不稳定[30-31] 。且70～80% 的肺癌细胞中存在三倍体、四倍体染色体异常现象[32] ，用可溶Cr(Ⅵ)化合物和不溶微粒 Cr(Ⅵ)化合物诱导人肺上皮细胞均可导致浓度依赖性的染色体异常现象，并且与肿瘤转化性一致[27] 。微粒 Cr(Ⅵ)化合物增加人支气管上皮细胞异倍体性，且呈浓度依赖性[32] 。Cr(Ⅵ)可致原癌基因 N-ras 基因外显子1上游序列 DNA 损伤[33] 。Cr(Ⅵ)通过 NKκB/cJun/AP-1依赖的通路上调鼠胚成纤维细胞(MEFs)COX-2的表达，COX-2的致癌机制主要通过促进细胞增殖、抑制细胞凋亡、促进血管形成、抑制免疫功能等机制参与肿瘤的发生和发展[34] 。
经口摄入 Cr(Ⅵ)导致人肿瘤的产生尚未得到流行病学及统计学方法的支持，但经口摄入 Cr(Ⅵ)导致肿瘤的风险不能忽略。大部分 Cr(Ⅵ)虽然在消化系统被还原为 Cr(Ⅲ)，仍有部分 Cr(Ⅵ)经消化道吸收入血，很多学者认为 Cr(Ⅵ)也会造成非呼吸系统肿瘤的产生。小鼠、大鼠实验均证实，经口摄入的 Cr(Ⅵ)具有明显致癌性[35] 。
6 Cr(Ⅵ)的胚胎毒性及致畸作用与体细胞相比，胚胎细胞更容易受到外界因素的影响。Cr(Ⅵ)作用于胚胎细胞可能导致胚胎毒性及致畸作用。早期研究表明，向饮水中添加 Cr(Ⅵ)可使大鼠产生明显的胎鼠毒性，表现为受精卵着床率及胎鼠数下降、胚胎吸收数及流产率上升[36-37] 。在胎鼠器官发育时期(妊娠5～15d)，分别向雌鼠腹腔注射1mg/kg 和2mg/kg 的重铬酸钾，可导致胚胎毒性作用:胎鼠体重减少、胎鼠发育减缓、死胎发生率上升、胎鼠数量减少; 产生致畸作用:颜面部缺失、无尾、皮下淤血斑、胎盘发育不全[38] 。Cr(Ⅵ)导致胚胎毒性及致畸作用的机制尚未清楚，可能因为胚胎的发育很大程度上依赖胎盘，胎盘是由多种细胞系统组成的高度特异化的器官，而 Cr(Ⅵ)改变了胎盘组织学特征，如:基蜕膜厚度、蜕膜细胞的萎缩、绒毛膜变性、血腔隙肥大等[38] 。
7 结语由于 Cr(Ⅵ)的基因毒性机制较复杂，其机制目前尚未阐述清楚。以后可以通过增加其他重金属的基因毒性研究以及使用简单的模式生物作为实验材料对 Cr(Ⅵ)基因毒性进行研究来明确 Cr(Ⅵ)的基因毒性机制，以更好的了解、预防及治疗铬导致的疾病。
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