砷的分子毒理學(xué)研究進(jìn)展續(xù)精

1、癌變？畸變？突變 1998年第10卷第1期Carci nogen esisTeratoge nesisa ndMutage nesisVol10No11998030006XP突變細(xì)胞的殺傷作用，且 XP組A細(xì)胞的殺傷作用。砷化砷的分子毒理學(xué)研究進(jìn)展(續(xù)) 孟紫強(qiáng) 山西大學(xué)生命科學(xué)系環(huán)境生物毒理學(xué)研究室太原進(jìn)UV照射對(duì)具有剪切修復(fù)能力的正常成纖維細(xì)胞和 有劑量依賴關(guān)系；但它不能促進(jìn)UV對(duì)缺乏剪切修復(fù)的 在對(duì)DNA修復(fù)的抑制作用中,三價(jià)砷比五價(jià)砷的作用更大。最近的研究發(fā)現(xiàn) 合物,尤其是三價(jià)砷化合物，能與有關(guān)DNA修復(fù)酶的巰基結(jié)合，使該酶活性降低，導(dǎo) 致DNA修復(fù)作用的抑制。4砷對(duì)免疫功能的影響(續(xù)

2、第5期P326)后修復(fù)(36,37)。他們還報(bào)道,亞砷酸鈉對(duì)不能進(jìn)行復(fù)制后修復(fù)的大腸桿菌菌株 RecA突變株(WP10RecA-)UV照射后的 存活率無(wú)影響，這也肯定了砷對(duì)大腸桿菌依賴 RecA的DNA復(fù)制后修復(fù)有抑制作 用。UV照射對(duì)大腸桿菌突變的誘發(fā) 依賴于rec+和Lex+基因亞砷酸鈉能降低UV對(duì) 含有這些基因的 大腸桿菌菌株 WWP2突變的誘發(fā)(37)。其機(jī)理是：E.Coli 一半乳糖苷酶的誘導(dǎo)和RNA的合成對(duì)亞砷酸鈉 特別敏感，由于大腸桿菌DNA的錯(cuò)誤修復(fù)是一個(gè)誘導(dǎo)的修復(fù)過(guò)程，亞砷酸鈉對(duì)酶誘 導(dǎo)和mRNA合成的抑制,也抑制了 UV照射后DNA錯(cuò)誤修復(fù)系統(tǒng)的誘導(dǎo)，從而減少 了突變的發(fā)生

3、(37)。3.2.2砷對(duì)人類細(xì)胞DNA修復(fù)的影響 DNA修復(fù)途徑有多種，其中暗修復(fù)”是不依賴 有些微量元素化合物可作用于機(jī)體的免疫系統(tǒng)，影響免疫功能。如果引起的免疫反 應(yīng)強(qiáng)度屬于正常范圍，一般情況下機(jī)體能恢復(fù)內(nèi)在平衡，不引起明顯的組織損傷和 機(jī)能障礙。如果免疫反應(yīng)強(qiáng)度和后果超過(guò)正常生理范疇，造成異常的免疫反應(yīng)，稱 超敏反應(yīng),又稱變態(tài)反應(yīng)。有的可引起機(jī)體體液或細(xì)胞免疫反應(yīng)降低，有的可直接 作用于免疫系統(tǒng)的細(xì)胞，引起 研究指出，砷化合物在較高濃度下能抑制人血淋巴細(xì)胞的有絲分裂，甚至引起細(xì)胞 死亡(40,41)。表明砷能引起細(xì)胞毒性變態(tài)反應(yīng)。砷化合物還可引起腎細(xì)胞及其蛋白質(zhì)的改變，引起免疫復(fù)合物型或

4、血管炎型變態(tài)反 應(yīng)，造成過(guò)敏性腎病綜合征。無(wú)機(jī)的和有機(jī)的砷化合物還可引起遲發(fā)型變態(tài)反應(yīng) ， 導(dǎo)致皮膚病發(fā)生。最近的研究發(fā)現(xiàn)（6,7），亞砷酸鈉和砷酸鈉在較低濃度下可刺激人血淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化,在較高濃度下則抑制其轉(zhuǎn)化，呈雙相性作用。砷對(duì)人血淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)作用比 PHA需要更長(zhǎng)的時(shí)間，且效應(yīng)也比PHA弱。淋巴細(xì)胞與砷連續(xù)接觸 3天以后，其細(xì) 胞轉(zhuǎn)化開始被砷誘發(fā)；連續(xù)接觸6天以后,轉(zhuǎn)化過(guò)程受砷的刺激作用達(dá)到最大。PHA對(duì)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)迅速，其誘導(dǎo)效應(yīng)到第三天即達(dá)到最大?？乖瓕?duì)淋巴 細(xì)胞轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)所需時(shí)間也較長(zhǎng)，一般需6天，誘導(dǎo)也較弱。砷對(duì)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化的 誘導(dǎo),在作用時(shí)間和方式光能的由幾個(gè)酶促反應(yīng)

5、步驟組成的修復(fù)系統(tǒng)。該系Jung等研究了砷對(duì)人體表皮組織 DNA損傷 暗修復(fù)”統(tǒng)可對(duì)DNA單鏈斷裂和嘧啶二聚體損傷進(jìn)行修復(fù)。細(xì)胞毒性。的影響 （38）。首先 將2030歲健康男性表皮組織（厚0.20.3mm）切成22mm的小塊，在含有10-5或10-6M砷酸鈉的培養(yǎng)液中,37E下 培養(yǎng)1h或4h。然后，用無(wú)過(guò)濾的氙光燈照射（2.24采09爾格/cm2）,使卩Ci/ml的 3H-胸腺嘧啶核DNA受到損傷，再用10苷,37E下標(biāo)記4h。最后,按常規(guī)方法用福爾馬林進(jìn)行組織固定、切片、染色和放 射自顯影，對(duì)DNA修復(fù)活性進(jìn)行分析。結(jié)果指出,UV誘發(fā)的非預(yù)定性DNA合成 （UDS）被砷酸鈉所抑制，表明砷

6、對(duì)人體表皮組織細(xì)胞受 UV照射引進(jìn)的DNA損傷 的修復(fù)活性有抑制作用。Okui等對(duì)三價(jià)砷（三氧化二砷）和五價(jià)砷（砷酸鈉）在正常人成纖維細(xì)胞和著色性干皮?。╔P）成纖維細(xì)胞經(jīng)UV照射以后DNA修 復(fù)中的效應(yīng)進(jìn)行了研究（39）。結(jié)果表明,三氧化二砷能抑制DNA中胸腺嘧啶二聚體的剪切，因此也抑制了 UDS。三價(jià)砷也能促62? 1995-2004 Tsin ghua Ton gfa ng Op tical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 上與抗原的作用相似。但是，砷的作用與抗原又有不同，抗原需預(yù)先對(duì)個(gè)體致敏，是 特異的;而砷的作用不是特異的，不需要預(yù)先致敏。研究

7、還發(fā)現(xiàn)，三價(jià)砷比五價(jià)砷對(duì) 人血淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)作用強(qiáng)(6,7)5.3砷影響物質(zhì)代謝的機(jī)制是什么？研究指出，缺砷能影響小雞蛋白質(zhì)的氨基酸代謝，使小雞血清中脲酸水平改變、精 氨酸含量降低，半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸和組氨酸水平提高。缺砷還可使大鼠肝 中蛋白質(zhì)水平下降。砷還能刺激粘膜和肝中谷胱甘肽的合成。最近研究發(fā)現(xiàn)，極低濃度的砷可刺激人血淋巴細(xì)胞 DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成(5-7)。這些研究結(jié)果表明，砷能影響生物大分子的合成。砷誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化的意義和機(jī)理，尚待研究。5砷是生物的必需微量元素嗎？砷與磷均為元素周期表第V主族元素，砷酸鹽與磷酸鹽性質(zhì)相似。但是，磷酸鹽是 生物所必需的大量元素，而少

8、量的砷酸鹽就會(huì)引起生物的中毒反應(yīng)。和分解，但其作用機(jī)制尚不清楚，為了確證砷是否為為什么生物對(duì)這兩個(gè)化學(xué)性質(zhì)相似的元素存在截然生命所必需，從分子水平研究砷 在物質(zhì)代謝中的作用相反的反應(yīng)？砷和磷都是大自然廣泛分布的元素，在生物長(zhǎng)期 進(jìn)化和演變的歷程中，既然能把磷作為大量元素加以利用，成為生命不可缺少的元 素;那么對(duì)于生物生存環(huán)境中的砷,我們?cè)O(shè)想，在生物進(jìn)化的長(zhǎng)河中也可能扮演著某 種角色為生命所必需，只是生物對(duì)它的必需量極其微小，以至不為人所知。我們對(duì) 砷的生物學(xué)還需深入細(xì)致地研究，從分子生物學(xué)水平加以探討，才會(huì)全面地認(rèn)識(shí)砷 在生物進(jìn)化、在生命過(guò)程中的復(fù)雜作用。我們?cè)诒疚闹袃H對(duì)砷生物學(xué)作用的初步 研

9、究報(bào)道和需要進(jìn)一步探討的幾個(gè)問(wèn)題作一簡(jiǎn)介。5.1砷脂是生物所必需的嗎？ 機(jī)制,無(wú)疑是必需的。參考文獻(xiàn)1.Nakamurok,Sayato.Co mp arativestudiesofchromosomalaberrati onin ducedbytrivale nta ndpen tavale ntarse ni c.Mu2tatRes,1981;88:732.Sibata niA.I nvitroi ncorporatio no fge nts.Ex pCellRes,1959;17:13132Pin tomucleicacidsoflymp haticcells:EffectsofX-ir

10、radiati onan dsomeothera23 .P etresJ,Bar on D,Hagedor nM .Effectsofarse nicon cellmetabol isma ndcell proliferatio n: Cytoge netica ndbiochemicalstudies.E nviro nH ealth Persp ect,1977 ;19:2234. Baro nD,MHagedorn.Futhen nvitrostudies on thebio2chemistryofthe in hibitio no fnucleica cida ndp rote ins

11、yn the2sis in ducedbyarse ni c.ArchDermRes,1975;253:15由于砷酸與磷酸的相似性，砷酸能取代磷酸參與許多生化反應(yīng)，以至引起生物中 毒。例如，砷酸對(duì)氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用，取代磷酸參入DNA分子等。但是,研究也發(fā)現(xiàn),砷能像磷生成磷脂那樣生成砷脂。5. Me ngZQ.Effectsofarse nico nDNAsy nthesisi nhuma nlym2 在海洋生物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不 同種類的砷脂，例如砷膽 Phocytesstimulatedbyphytohemaglutinin.BiolTraceElem堿、 砷酸二甲銨內(nèi)脂等；在咼等動(dòng)物中也存

12、在有具有磷膽堿功能的砷膽堿。砷脂有無(wú)生命過(guò)程所必需的特殊功能、它對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性是否必需等問(wèn)題，值得深入研究,這將為闡明砷是否為生命所必需的問(wèn)題提供依據(jù)。5.2 砷酶”存在嗎？Res,1993;39:736. Me ngZQ,Me ngNY.Effectsofi norgani carse ni cals on DNAs yn thesis inunsen sitizedhuma n bloodly mp hocytes in vitro.BiolTraceElemRes,1994;42:2017. 孟紫強(qiáng)砷對(duì)人血淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化和 DNA合成的效應(yīng) 沖國(guó)環(huán)境科學(xué),1994;14:1348.Si

13、rovirMA,LoebLA.Metal-in ducedi nfidelityduri ngDNAsy nthesis. ProcNatlAcadSciUSA,1976;73:23319.Tkeshelas hviliTK,Shearma nCW,ZakourRA,elal.Effectsofarse nic,sele nium,a ndchromium on thefid elityofDNAs yn thesis.Ca ncerRes,1980;40:245510. LiW,TNChou.Effectsofsodiumarse ni te on thecytoskele2to nan d

14、cellularglutathio neleve Isin culturedcells.ToxicolAppIP harmacol,1992;114:132有人報(bào)告，大鼠缺砷時(shí)，一些磷脂生物合成酶，如磷脂酰乙醇胺甲基轉(zhuǎn)移酶、磷脂酶 二甲基乙醇胺甲基轉(zhuǎn)移酶、膽堿磷酸轉(zhuǎn)移酶等酶活性降低。還有人報(bào)道，砷酸可促進(jìn)依賴ATP的琥珀酸還原NAD+的反應(yīng)，改變其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并設(shè)想砷對(duì)有關(guān) 該反應(yīng)的酶可能有修飾作用，使酶活性提高、反應(yīng)加快。然而,砷是否參與構(gòu)成酶的活性中心，或參與修飾酶蛋白，均沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 因此,從分子水平探討酶與砷的關(guān)系，了解是否在體內(nèi)像存在著一些金屬酶那樣也 存在著 砷酶”將為

15、解決砷是否為生物的必需微量元素問(wèn)題提供有力證據(jù)。11. Kre PP elH,LiuJ,LiuY,etal.Zi nc-in ducedarse nitetoler2a ncei nm ice.F un damA pp IToxicol,1994;23:3212. Kre pp elH,Bauma nJN,LiuJ,etal .In ductio no fmetalloth2io nei nbyarse nicals inmi ce.F und amA pp IToxicol,1993;-63? 1995-2004 Tsin ghua Ton gfa ng Op tical Disc Co.,

16、 Ltd. All rights reserved.20:18413. AokiY,Li pskiMM,FowlerBA.AIterati oninp rotei nsyn 2thesisi np rimaryculturesofratki dneyp roximaltubulee p2ithelialcellsbyex posuretoGallium,l ndium,a ndarse nite.ToxicolA ppIP harmacol,1990;106:462Mutage n,1994;23:29927. F on gK,LeeF,BockrathR.Effectsofsodiumars

17、e ni te onsin gle-stra ndDNAbreakformati onnandp ost-rep licatio nrepairin E.colifollowi ngUVirradiatio n.MutatRes,1980;70:15128. Lee-Che nSF,GurrJR,Li nlB,etal.Arse nitee nhancesDNAcoublestra ndbreaksa ndcellkilli ngofmethylmetha nesulfo nate- treatedcellsbyi nhibiti ngtheexcisio no falkali-labiles

18、ites.MutatRes,1993;294:2129. FornaceAJJr,LittleJB,DNA -p rote in cross-li nki ngbychemicalcarci nogensinm ammalia ncells.Ca ncerRes,1979;39:70430. Mclea nJR,McWilliamsRS,Ka pla nJG,eta I.Rap iddetec2ti on ofDNAstra ndbreaksi nhum anperip heralbloodcellsa ndani malorga nsfoliwi ngtreatme ntwith physi

19、cala ndchemicalage n ts. ProgMutatRes,1982;3:13731. CostaM,ZhitkovichA,GargasM,etal.l nterlaboratoryvali2datio nofan ewassayforDNA -p rotei ncrossli nks.MutatRes,1996;369:1314. Kle mp ererNS, PickartCM.Arse nitei nhibitstwoste psintheubiquiti n-de pen de ntp roteolytic pathway.JBiolChem,1989;264:192

20、4515. Joh nstonD,Opp erma nH Jacks on J,etal.I nducti onoffourp rotei nsi nchickembryocellsbysodiumarse nite.JBiolChem,1980;255:697516. Lev insonW,Opp erma nnH Jacks on J.Tra nsiti on seriesmetalsa ndsulfhydryireage ntsi nducethes yn thesisoffourprotei nsin eukaryoticcells.Bioche mBio physActa,1980;

21、606:17017. LiGC .In duct iono fthermotole nracea ndenhan cedheatshock prote insyn thesis inChin esehamsterfibroblastsbysodiumarse nitea ndbyeth on al.JCellPhysiol,1983;115:11618. Caltabia no,MM,KoestlerT P,P osteG,etal.l nductio nof32-an d34-KDastressbysodiumarse ni te,heavemetals,a ndthiolreactivea

22、ge nts.JBiolChem,1986;261:1 338119.MuramatsuT,TadaH,KobayashiN,etal.l nductio no fthe72-KDheatshock prote ininorgan cultured no rmalhuma nskin.JIn vestDermatol,1992;98:78620. Va n-WijkR,WeltersM,Soure nJE,etal.Serum-stimu2latedcellcycle progressio nan dstress protei nsythesisi nC3H10T1/2fibroblastst

23、reated withsodiumarse nite.JCellPhysiol,1993;155:26532. D on gJT.Effectsofarse nico nDNAdamagea ndrep airi nhuma nfetallu ngfibroblasts.MutatRes,1994;315:1133.Do ngJT,LuoXM.Arse nic-in ducedDNA-stra ndbreaksassociatedwithDNA-p rote in crossli nksi nhuma nfetallu ngfibroblasts.MutatRes,1993;302:9734.

24、 RudelR,Layt on S,BeckBD.I mp licatio no farse nicge no tox2icityfordoseres pon seofcarci nogen iceffects.RegulToxicolP harmacol,1996;23:8735. Lee-Che nSF,YuCT,Ja nKY.Effectofarse nite on theDNAre pairofUV-irradiatedCh in esehamsterovarycells.Mutage nesis,1992;7:5121. Kam pin gaHH,Bru nsti ngJF,Ko n

25、in gsAW.Acquisitio nofthermotolera ncein ducedbyheata ndarse nitei nH eLacells:Multi pie pathwaystoi nducetolera n ce?JCell Physiol,1992;150:40622. KotharyRK,Ca ndidoE PM.I nductio nofa no velsetofp oly nep tidesbyheatshockorsodiumarse nitei nculturedcellsofrai nbowtrout,Salmogaird neri i.Ca nJBioch

26、em,1982;60:34723. KimYJ,Shuma nJ,SetteM,etal.Arse natei nducesstress protei nsi nculturedratmyoblasts.J CellBiol,1963;96:39324.BekerJC,Jacobso nMK.AIterati on ofade nyldi nu cleotide metabolismbye nviro nmen talstress. ProcNatlAcadSciUSA,1986;83:235036. Rossma nTG,Mey nMS,TrollW.Effectsofsodiumarse niteon thesurvivalofUV-irradiatedE.coli:I nhibitio no fRecA-depen de ntfun ctio n.MutatRes,1975;30:15737. Rossma nTG,Mey nMS,TrollW.Effectsofarse nico nDNArep airi nE.coli.E nviro nH ealth Persp ect,1977;19:22938.Ju ngEG,TrackselB,lmmichH.Arse ni casa nin hibitorofthee nzymesc oncernedin cell