某些普通的环境污染物被哺乳动物的细胞转变成代谢物，这些代谢物与细胞核酸反应会引起癌症。

最近流行病学家估计，人类癌症的70~90%是由于环境中的化学致癌物引起的。

癌症研究的基本问题是：化合物靠什么来改变细胞的遗传机制，使之变成癌细胞？其分子化学的变化过程是什么？本文将概括地介绍这方面的最近结果。

多环芳烃是一种极其重要的致癌物，因为在环境中它们是常见的化合物而且有特别强的致癌能力。

在多环芳烃中有许多被证明是致癌的。它们具有四到六个芳香稠环和一个未被取代的碳－碳键、该键的两侧是两个芳香环，这个键被称为K区域，它具有电子密度比较高和类似烯烃的特征。如在分子的另一端引入甲基，会戏剧般地增强或减弱分子的活性。例如，7，12－二甲基苯并蒽（DMBA）是强致癌物，而它的母体苯并蒽只有非常弱的活性。

结构上的相互关系是多环芳烃致癌物的量子力学理论的基础，尤其是试图将分子区域中的电子密度指数与生物活性联系起来的Pullman理论。然而这些理论已经过时，它们没有考虑代谢致活作用。

代谢致活作用

多环芳烃的代谢主要是在多功能氧化酶（MFO）催化下在内网质的微粒体上进行的，它对药物有重要的去毒性的作用。多环芳烃的代谢生成酚，二羟基类及醌等的同分异构体和它们的葡糖醛酸甙和硫醇尿酸等的共轭化合物。经尿排泄的代谢物一般是不活泼的，或者说致癌作用是非常弱的，所以人们普遍认为代谢仅仅是一种对有害的化合物的灭活和去毒的过程。第一个相反的事实是Brookes和Lawley在1964年观察到的。他们发现用氚标记的多环芳烃致癌物施用在小鼠皮肤上或与小鼠的胚胎一起培育，有一部分便与细胞大分子形成共价结合，多环芳烃同脱氧核糖核酸（DNA），及核糖核酸（RNA）结合的程度与致癌强度有关。研究结果表明，这种结合要求多环芳烃在微粒体的酶催化下代谢。这些发现与体细胞突变基因理论是一致的，按照这个理论致癌物直接或间接地对基因起破坏作用，基因损坏引起基因突变，最后导致癌。

在我们芝加哥大学实验室里，最初着重研究芳烃氧化物，因为这种化学活性代谢物的中间体最有可能与核酸形成共价结合。我们已合成了当时还不知道具有K区域的芳烃氧化物苯并芘氧化物（BPO）和二甲基苯芘蒽氧化物（DMBAO）。

生物试验给出了不明确的结果。BPO和BMBAO及其他合成的芳烃氧化物无论在细菌还。是在哺乳动的细胞内都表现出重要的诱变活性。这些物质也被证明，它们导致仓鼠胚胎成纤维细胞在培养时发生癌变的能力比它们的母体多环芳烃或其他多环芳烃的代谢物更大。所有这些性质都与芳烃氧化物作为被活化的致癌代谢物所可能具有的作用相符。

核酸结合实验对芳烃氧化物在癌肿生成作用中起什么作用提供了强有力的证据。在一个关键性的实验里，将BPO与DNA放在水溶液内反应，产物在酶催化下被降解到各自的脱氧核糖核苷水平。用色层分离法分离这种酶消化产物以便获得BPO－核糖核苷加合物。在一个相当的实验里，也用相似的色层分离法从小鼠细胞内的煤焦油（BP）代谢物中分离出BF · 核糖核苷加合物，在生物细胞内BPO－核糖核苷加合物要比由BP的新陈代谢而产生的BP－核糖核苷加合物形成得晚，这清楚地表明这两种加合物是不同的。在类似的实验里同样观察到其他芳烃氧化物也具有上述情况。显然，这些芳烃氧化物不是多环芳烃在细胞内与DNA以共价键形式结合的代谢物。

被激活的代谢物的鉴定

1973年Borgen和他的合作者通过观察提出了另一个候选的致癌代谢物，这是BP的代谢物暂被确定为BP7，8－二羟基类。它被微粒体新陈代谢成为活性中间体，这个中间体使DNA烷基化。Sims提出，这种活性的代谢物可以是一种二羟基环氧化物的衍生物，是BP7，8－二羟基类在酶催化下将碳双键氧化而成的。BP二羟基环氧化物（BPDE）有两种同分异构体，顺式BPDE和反式BPDE。

已发现的反式和顺式BPDE具有显著的生物活性，作为诱变体这两种同分异构体在细菌和哺乳动物的细胞内具有特别强的诱变性。反式BPDE在大多数试验里被证明是最活住的异构体，被称为“超级诱变体”。用敏感的鼠肺做试验，（＋）反式BPDE的致癌性比BP和其他BPDE的异构体强得多。这表明（＋）反式BPDE是BP最终的致癌形式。

在这方面最有力的证据来源于与核酸结合的研究。反式BPDE与DNA的反应生成以共价键结合的产物，当这些反式降解到核糖核苷程度时用色层法分离，主要的加合物在化学性质上都和BP与DNA、核糖核酸（RNA）在啮齿动物、牛以及人类的细胞内新陈代谢和结合的主要产物相同。分析证明了这种加合物是（＋）反式BPDE形成的鸟甙衍生物，以这些结果为基础，证实了（＋）反式BPDE是BP主要的生物活性的形式，BP以这种形式在细胞内与核酸结合。这个发现并联想到已观察到的（＋）反式BPDE特殊的诱变性和致癌活性证明（十）反式BPDE是实际上的或最终的致癌物，而BP仅是—种前致癌物。

下一个有关问题是类似的二羟基环氧化物是不是其他多环芳轻的活性致癌物形式。研究结果强有力地指出，二羟基环氧化物实际上是所有已研究过的多环芳烃最终的致癌形式，包括强致癌物DMBA和3－MC。有些多环芳烃，像DMBA，具有两个或更多的苯环，每一个都具有形成二羟基环氧化物的可能，在这里，主要的致癌物形式呈现同分异构体现象，在这些同分异构体内环氧化物的环位于一个“海湾区域”（bay region）内，这个区域在两个邻近的芳香稠环之间对所有多环芳烃研究来说，具有“海湾区域”的二羟基环氧化物是主要的致癌形式。

对各种致癌物的研究指出，致癌作用的化合物半数以上是前致癌物，仅仅在被代谢激活后才是最终的致癌物。这些发现是James和Elizabeth Miller的理论基础。该理论指出，大多数化学致癌物的最终形式是强的亲电子分子，这就是说它含有一个缺电子的中心，容易与多电子的分子反应，像氨基，以形成共价键。二羟基环氧化物的行为像活性的亲电子剂，这是因为环氧很容易开环，形成一个离子中间体，具有一个缺电子的（例如正电荷的）碳。它邻近于苯环，电荷通过分散在苯环的芯键上而使中间体稳定。

其他种类致癌物的最终致癌形式的亲电性质已经在类似事实的基础上推断出来。对简单的烷基化试剂，例如，烷基甲磺酸或内酯，不需要代谢致活作用，因为它们的碳一氧键已经极化，这些分子在化学上就像新生成的烷基离子，反应发生在带有部分正电荷的碳原子上，它们能和蛋白质和其他细胞成分发生任何反应，故有助于成为较弱的致癌物并且主要与另一反应物的给电子区域反应。其他种类的致癌物，包括亚硝酸胺，亚硝胺，苏铁素，是可能的烷基化试剂，它们在动物细胞内能直接转变成为亲电子剂。

烷基亚硝酸胺是唯一需要与水，硫醇类或胺反应转变成亲电离子型，才能使蛋白质和核酸烷基化。许多证据表明在生物体中芳香胺和酰胺的致癌作用依赖于它们最初转变成N－羟基衍生物。进一步代谢使这些中间体转变成亲电反应物。对于2－乙酰胺基芴（AAF），这是反应机理了解得最清楚的芳香胺，至少同时包括三个代谢过程：N－经基代谢物的磺化形成非常活泼和诱变的AAF－硫酸酯；酰基化形成N－乙基－AAF以及与过氧化物反应生成游离基中间体，进而歧化成为N－乙基－AAF和2－亚硝基芴。这些亲电性的代谢物与核劈在生物体内生成共价的鸟甙加合物。特别强的生物体致癌物黄曲霉素B₂也进行代谢活化的过程，它的致癌性与末端环上的双键变成极其亲电性的环氧键有关。虽然有事实表明对有些致癌物来说游离基中间体可能是较次要的致活代谢物，但是现在大多数事实支持这种结论：最后的致癌代谢物主要是亲电子的反应物。

现在人们一般接受这种观点：所有致癌物的活性形式都是有效的突变原。早期曾试图阐述致癌因素与诱变性的关系，但未获成功，因为研究人员没有考虑到代谢物的致活作用。在低级细胞（主要是细菌）上进行诱变试验最为方便，而致癌性试验通常是在动物上进行的，一般是啮齿类动物。由于代谢过程在差异如此大的物种里可完全不同，这样两种试验结果之间缺乏同一性就不足为奇了。最近由于对新陈代谢的致活性在致癌过程中作用引起了重视从而导致了各种试验的发展。著名的Ames试验通过分析代谢物的诱变活性来筛出潜在的致癌物。这些试验使用灵敏的微生物系列以及肝微粒体来完成在微粒体内的代谢活化。

据称大约有90%的化学致癌物在这些试验条件下表现出诱变性，然而在10%例外中有非常有名的致癌物DDT。在多环芳烃里，没有发现致癌能力与诱变活性之间存在相互关系。的确，强致癌物DMBA的诱变活性要比弱致癌物苯芘蒽的诱变活性弱。这种情况可以部分地归因于用作诱变活性分析的微粒体，它来源于老鼠的肝脏，是一种阻碍多环芳烃产生致癌性的组织。应当强调，不是所有诱变体都是致癌物，例如，吖啶橙是强诱变的，但致癌性很弱。尽管有这些不足，Ames分析法和其他简短试验仍提供了方便而又经济的筛选方法，若使用这些方法进行一系列的筛选更可提高可靠性。

致癌的机理

最近，在致癌物研究方面取得的重要进展为协同进攻分子机理问题奠定了基础。一个主要的问题是具有海湾区域的二羟基环氧化物有明显的特殊性。有人假设这些致癌多环芳烃的衍生物特征是有特别的亲电性。理论预测的二羟基环氧化物的反应活性和它的母体多环芳轻的致癌活性之间存在着接近关系，这是对以上假设的间接支持。正如所预料的那样，多环芳烃致癌物的衍生物——具有海湾区域的二羟基环氧化物非常容易与DNA反应。然而，一些没有海湾区域和K区域的二羟基环氧化物和多环芳烃，弱或非致癌物的二羟基环氧化物一样也容易与DNA发生反应。因此，有海湾区域的二羟基环氧物并不因为它与核酸的反应而表现特殊性。

对具有海湾区域的同分异构体的生物重要性的另一种解释是这些化合物对抗正常的酶催化的解毒作用。这种解释得到了观察事实的支持，即反式和顺式BPDE都有抗环氧物水化酶催化的水合作用，相反，有K区域的氧化物通过这种过程非常容易解毒。环氧物的海湾区抗酶变能力可以归因于在这种分子区域中空间拥挤严重，可以想象由于空间拥挤影响了酶的接近。可是现在直接的实验事实尚不能给出明确的结论。

DNA的烷基化是如何导致癌变的？这个机理还知道得相当少，一个庞大的多环芳烃分子与DNA形成共价结合后最可能的结果是影响核酸正常的复制。通过对Φ×174病毒DNA的研究证实了这种设想，这个研究表明在大肠杆菌细胞内被反式BPDE烷基化的区域内核酸的复制停止了。最近对SV40病毒研究表明，在猴子肾脏细胞中，病毒DNA与反式BPDE烷基化后抑制了病毒的复制达几个小时，而要经过24~36个小时后DNA的合成才能真正恢复到正常状态。恢复过程中伴随着反式BPDE加合物数量的减少并且新形成的DNA其特有的传染性显著减弱。故似乎是产生了另一种形式的病毒DNA。

烷基化反应的损害靠什么可以产生有活力的却已改变了形式的DNA？有几种可能的机理。一种是碱基缺失，已经表明DNA与反式BPDE的烷基化偶尔发生在鸟甙的N－7位置，这个加合物是相当不稳定的，它会自动地分解、同时伴随着鸟甙碱基缺失。碱基缺失会因遗传密码错译而导致一种密码片段移动突变（一个片段包括三种遗传密码碱基），但是不能用这来解释所有反式BPDE的突变性。也可以这样说，烷基化破坏以后在正常情况下通过内切核酸酶和聚合酶来完成的细胞修复发生了缺陷，使DNA的碱基顺序错误以致突变。DNA修复的缺陷已经与人类临床的许多综合病症联系起来了，包括著色素性干皮病（一种与遗传有关的皮肤癌），毛细血管扩张症，Fanconi贫血病及光化角化病。人们将要进行更多的研究以决定DNA的异常修复是否在多环芳轻致癌物中也起重要的作用。

至今，已经在哺乳动物的细胞中鉴别出四种类型的酶修复系统。这四种类型是：“索断裂，光致复活作用，切割以及后复制”，其中前两类型尚未很好了解，但切割修复和后复制修复已经仔细研究了。切割修复包括切除DNA的错误序列以及由对应的DNA模板合成的DNA来取代。在细菌体中，短短—小片碱基序列的切割修复一般是“无差错”的，但是一大片碱基顺序的切割被认为是“容易差错”的（error－prone），被切割的范围大小与起破坏作用的试剂有关。多环芳轻配体在哺乳动物中是倾向于“无差错”的还是“容易差错”至今还不知道。复制后修复是一种从有缺陷的DNA模板中重新合成的DNA被复制的过程，这个过程也可以是“无差错”的也可以是“容易差错”的。目前还没有一个实验事实能作为对DNA错误修复的任何致癌机理作出重要判断的基础，这对致癌物研究来说是主要的有重要性的有待研究领域。

对人类癌症的意义

在致癌物研究的成就中最重要的是对癌症的预防。预防是所有癌症研究的根本目的。要使一种物质被活化成为致癌的代谢物必须满足分子结构条条，这一点可以使我们准确地预测哪些分子很可能是致癌性的。对多环芳轻，现已知道具有海湾区域的苯环是最强致癌物分子的特征结构。甲基，氟和其他取代基引入这个苯环有助于阻碍酶的活化作用，因而抑制致癌活性，在别处的取代被认为是影响海湾区域的正常解毒作用，有助于增强苯环的代谢致活作用。虽然也观察到一些与此不相符的事实，但是已发表关于多环芳烃致癌物的文献表明，结果与以上这些预测符合得比较好。随着我们对致癌活性的分子条件知道得越来越多，就可以预测新的以前未试验过的化合物的活性。在设计新药和新工业产品时，被鉴定为具有致癌活性的分子种类就可以避免使用。这种知识能帮助我们重点清除已知的环境'污染物和在被怀疑有致癌危险的环境污染物中重点进行生物试验。

另一个可能应用是，已知处于危险之下的人进行筛选，例如吸烟者，可测定其对接触物的解毒酶的水平，而不是测定激活酶。已经观察到在酶的结构方面有很多独特的差别，因而有人指出，这些酶对前致癌物的敏感性方面也许相应地存在着许多独特的差异。

[American Scientist，1982年第7、8期，70卷]

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*Ronald G. Harvey曾就读于多伦大学和芝加哥大学。1960年于芝加哥大学获得化学博士学位以后在该校任教。现在是芝加哥大学Ben May癌症研究实验室的教授。他着重于研究分子的致癌机理，多环芳烃和它们的代谢物的化学性质以及新的合成方法。他已发表过一百六十多篇文章，其中主要是关于这些题材的。——译者注。