, , Jin Yinlong
镉是人类致癌物。环境镉污染主要来源于锌、铜、铅矿的冶炼、电镀、蓄电池、油漆、电器制造及航空材料等工业生产领域。人类通过烟草烟雾、食物、水、空气暴露于环境中的镉, 主要通过消化道进入人体。镉在体内的生物半衰期为10~30年, 很容易在体内蓄积, 因而其慢性毒性不可忽视。大量研究表明镉与人类的肺脏、前列腺、肾脏、肝脏肿瘤的发生有关[1-3]。
传统的观点认为癌症的发生是由于内、外源性因素刺激导致基因变异, 从而使基因表达发生改变, 以致体细胞失去正常调控而引起的。这种变异包括碱基替代、插入和切除, 以及由于DNA链的断裂造成的序列重组等等。研究表明[4]有些致癌物的致突变能力很弱, 但也能使基因表达发生改变, 如以镉、砷、铅为代表的重金属类物质, 使传统观点受到挑战。
表观遗传是指没有DNA序列变化的、可通过有丝分裂和减数分裂在细胞和世代间传递的基因表达的改变。外在环境通过刺激表观遗传这一途径, 改变基因的表达和染色质结构。越来越多的研究发现, 表观遗传修饰是引起癌症的一个重要因素[5-6]。目前被证实的因表观遗传调控基因改变而导致肿瘤生成的包括肺癌、前列腺癌以及乳腺癌等[7]。
DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的作用下, 以S-腺苷甲硫氨酸提供甲基供体, 将其甲基转移到脱氧胞嘧啶环第5位碳原子形成甲基化脱氧胞嘧啶(5 m C)的共价修饰。DNA甲基化是重要的表观遗传学修饰之一, 能调控体内基因的表达。DNA甲基化水平与基因表达呈负相关, 在启动子区低甲基化与转录活性呈正相关(非启动子区甲基化例外), 基因本身的甲基化与基因表达也有弱的负相关。DNA甲基化状态改变导致细胞增殖和分化的相关基因表达异常是致癌作用的一个关键因素, 是导致肿瘤抑制基因失活方式之一, 从而造成细胞失去对正常过程的控制而发生恶变形成肿瘤[8]。
越来越多的研究认为重金属镉是表观遗传毒性致癌物, 其中甲基化修饰是其致癌机制之一[8]。重金属镉、砷、铅与DNA甲基化的研究已成为研究热点。现从以下三方面综述镉对DNA甲基化的影响。
1 镉与基因组总甲基化水平基因组总甲基化水平的改变会增加基因组不稳定性。研究表明, 镉暴露能使基因组总甲基化水平升高。曹哲明等[9]报道鲤鱼暴露于不同浓度的Cd2+后发现, 在0.005、0.05和0.5 mg/L 3个暴露组未观察到甲基化改变, 5 mg/L的暴露组在第二天出现了明显的基因组总甲基化水平升高, 而且甲基化的改变发生在鲤鱼基因组DNA发生严重损伤之前。Yuan等[10]将淋巴细胞暴露于1 μmol/L的CdCl2 溶液中3个月后发现, 镉暴露能使基因组总甲基化水平升高, 并且伴随着淋巴细胞增殖。镉致前列腺细胞恶性改变的实验表明, 慢性镉暴露能使基因组总甲基化水平升高, 并且发生在细胞恶性转变之前[11]。Zhang等[12]对母鸡进行了60 d的镉染毒后发现, 母鸡肝脏与肾脏全基因组甲基化水平升高。Zhou等[13]在镉诱导人支气管上皮细胞恶性转化的实验中发现, 镉能导致DNA总甲基化水平升高, 并且与甲基化转移酶DNMT1、DNMT3a的过表达相关。
人群流行病学试验也获得了一些相关结果。Mohammad等[14]对阿根廷202名低水平环境镉暴露妇女进行了横断面调查, 检测了研究对象血液中的镉浓度、DNA总甲基化水平及尿镉浓度。该研究对象的血镉浓度中位数为0.36 μg/L, 尿镉浓度中位数为0.23 μg/L, 尿镉浓度与DNA总甲基化水平负相关, 尿镉与血镉浓度正相关, 但未观察到血镉与总甲基化水平的相关性。
2 镉与甲基转移酶目前为止, 在哺乳动物体内发现的甲基转移酶(DNMTS)有5种, 分别为DNMT1、DNMT2、DNMT3a、DNMT3b、DNMT3l。有甲基转移活性的有DNMT1、DNMT3a、DNMT3b 3种, 他们共同参与甲基化状态的维持[15]。DNMT1在DNA复制过程中确保甲基精确地复制到子链, DNMT3a、DNMT3b在早期胚胎时建立DNA甲基化起着重要作用, 是主要的从头甲基化酶。DNMTS的异常改变会影响基因表达、基因印记、基因组稳定性、染色质修饰体系等。大量研究表明, 镉暴露能使甲基转移酶发生改变[10-12, 16-18]。对淋巴细胞进行3个月镉染毒, 分为0.005、0.01、0.1 μmol/L 3个剂量组, 结果发现DNMT1, DNMT3b的过表达随着暴露剂量的升高而增强, 当暴露剂量为0.1 μmol/L时, DNMT1和DNMT3b的表达分别增加了41.7%和57.2%[10]。Benbrahim-Tallaa等[11]用前列腺细胞进行的实验也表明, 暴露于10 μmol/L的镉4周后甲基化转移酶的活性增强, 与对照组相比, 甲基化转移酶的活性增加了220%, DNMT3b甲基转移酶表达明显增加, 转录水平增加了3倍。将人胚胎肺成纤维细胞暴露于镉, 会增强DNMT1、DNMT3a、DNMT3b mRNA表达[16]。Zhang等[12]发现母鸡镉染毒60 d后, 肝脏和肾脏中DNMT1、DNMT3a表达发生了改变, 而DNMT3b表达未发生改变。Zhu等[17]发现对新生SD大鼠染毒镉5 d, 就能降低大鼠体内甲基化转移酶(DNMT)活性, 但未观察到DNA总甲基化水平的改变。有研究者观察到了镉暴露对睾丸间质细胞甲基化转移酶表达的改变, 当暴露浓度为1 pg/mL时, DNMT1的表达较对照组降低了1.3倍, 当暴露浓度达到1 μg/mL时, DNMT1的表达较对照组降低了2.2倍[18]。此外, 在一些癌细胞中能观察到DNMT3b的高表达[19-22], 说明DNMT的异常和癌症有关。
对阿根廷的202名环境低水平镉暴露的人群进行流行病学调查研究发现[14], DNMT1基因多态性能够修饰环境镉暴露所致的全基因组DNA甲基化改变, 低水平的环境镉暴露能使外周血DNMT1的表达增强, 但未观察到DNMT3b表达的改变。
3 镉对基因表达的影响雷毅雄等[23]对镉转化细胞的研究发现, DNA高甲基化会抑制基因表达, 镉转化细胞P16基因表达受到抑制。3个月低剂量的镉暴露会使P16基因甲基化水平升高, 抑制P16基因的表达, 且暴露剂量越高P16基因的表达越低, 当暴露水平为0.1 μmol/L时, P16的表达较对照组降低了66.2%[10]。Benbrahim-Tallaa等[11]研究发现, 10周镉暴露能导致人前列腺上皮细胞恶性转化, 暴露2周后就能观察到RASSF1A基因CpG岛高度甲基化, 表达受到抑制, 暴露6周后P16基因启动子区域高度甲基化, 表达受到抑制。Wang等[24]对大鼠的染毒实验发现:与对照组相比, 镉暴露能使大鼠肝脏组织caspase-8基因甲基化水平升高, 下调其表达, 能使TNF基因甲基化水平降低, 上调TNF-α表达。Zhou等[13]发现, 镉能够抑制支气管上皮细胞hMSH2、ERCC 1、XRCC1和hOGG1基因的表达及其蛋白表达, 与对照组相比, 镉能使hMSH2、ERCC 1、XRCC1和hOGG1基因启动子区域的甲基化水平升高。Zhu等[17]发现镉能使新生大鼠睾丸组织中的C-fos甲基化水平发生改变。Kamaleshwar等[18]研究发现长期低剂量的镉暴露能增强大鼠睾丸间质细胞抗凋亡基因Bcl-2的表达, 降低凋亡基因Bax的表达, 与对照组相比, 100 pg/mL的镉暴露组Bcl-2基因的表达量增加了2.7倍, Bax的表达量降低了3.1倍, 这使得细胞过度增殖, 基因组不稳定性增加, 该研究还观察到了镉暴露对DNA修复基因MYH和OGG1表达的影响, 当细胞暴露于1 μg/mL的镉时, MYH和OGG1基因的表达量分别降低2.6倍和2.1倍。
Zhang等[25]对中国82例环境镉暴露居民进行的横断面研究显示, 研究人群的血镉和尿镉浓度与RASAL1和KLOTHO基因的甲基化水平成正相关, RASAL1的甲基化水平与肾小球滤过率成负相关。RASAL1和KLOTHO基因表达沉默与直肠癌、肝癌有关[26-29]。Mohammad等[14]对阿根廷202名环境镉暴露妇女(尿镉浓度范围0.013~1.5 μg/L, 中位数0.23 μg/L, 血镉浓度范围为0.17~1.1 μg/L, 中位数为0.36 μg/L)进行了研究, 未发现镉暴露与P16基因甲基化水平的相关性。
4 小结表观遗传学的发展补充了遗传学观点无法解释的一些现象, 作为表观遗传学目前研究最为深入的部分, DNA甲基化已经成为研究热点, 与重金属的研究也较为深入。综上所述, 金属镉通过改变基因组总甲基化水平、甲基转移酶、基因表达影响DNA甲基化。DNA甲基化水平的改变可能是镉致癌机制之一。DNA甲基化通常发生在基因改变之前, 是一类早期的效应标志物, 对DNA甲基化的检测能够及早地观察到机体的损伤, 为进一步预防、控制健康损害提供依据。目前国内外的研究大多侧重细胞实验与动物实验, 缺乏大样本的人群流行病学研究。癌症的发生发展是一个长期、多因素影响、复杂的过程, 在开展横断面调查的同时, 有必要开展前瞻性队列研究, 针对不同的暴露人群分析其暴露特征, 结合不同时期的暴露—反应探讨其远期效应。
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