面对如此众多可能的致癌物，没人敢说究竟哪一种是诱发某种癌症的罪魁祸首。然而，本文作者及其同事所从事的研究为解开谜底提供了一种可靠途径。

有关环境中的化学物质诱发基因突变，从而导致癌症的说法流传甚广，促使科学家进行了数千次的实验，其结果又常常以公开声明的形式广为传播，提醒人们从花生酱到影印墨水的一系列物质都可能具有潜在的致癌作用。这种说法是基于对微生物所进行的一些实验，然而人类与化学物质接触后的反应和微生物尚有不同。即便是用试管中培植的人体细胞进行实验，也无法说明人体内的细胞究竟如何与人类生存环境中的各种化学物质相互作用。事实上，我们所熟知的有关吸烟和无节制的日光浴等行为可导致癌症的结论，也仅仅是通过对人类的直接观察得到的。

由于目前对癌症诱因所进行的大部分研究都具有某种程度的不确定因素，因此，政府感到很难对诱发实验动物癌变的众多物质实施管理也就不足为奇了。同样，法院在裁决某人是否因接触某种特殊的环境污染物而导致癌症时也颇感棘手。原告必须向法庭证明，某种疾病与接触某种物质之间存在联系是可能的，而不仅仅是主观猜测。

在麻省理工学院环境卫生科学中心（CEHS），我和我的同事正试图找到可以消除上述不确定因素的方法。我们认为，这项工作的最终结果将可使科学家能够确定究竟是哪些化合物诱发了某一个体的哪些遗传变异。我们的主要目的是解开诱发基因突变的谜底，这种突变可导致个体后代患有癌症或遗传病。

这项研究包括下面三个步骤：

1.分析化学家找出可与人体血液成分产生化学作用的物质，并测量其在人体内的含量。

2.遗传学家对人体组织中的基因突变进行探测。

3.根据前面两步得到的化学和遗传学知识，判断是环境中的哪些（如果有的话）化学物质诱发了在某一个体中探测到的基因突变。然而，并非所有基因突变都是由体外化学物质或辐射诱发的，某些基因突变可以是自发的，它可能是正常DNA在复制过程中出现了“排印”错误，或是由于DNA与体内产生的甲醛、过氧化氢等化学物质发生了相互作用。

该项研究的关键是掌握每种致突变物质可诱发哪些特殊的基因突变。如果我们检查出人体组织样本中发生的基因突变，并且知道该组织样本接触过哪些化学物质，我们就可以推断哪种致突变物质最有可能是某一突变的直接诱因。这方面的研究成果将有助于法律制订机构完善环境法规，同时也为法庭裁决涉及毒性化学物质的案件提供了科学依据。

一、找出体内的活性化学物质

为进行该项研究的第一步：找出并测量进入体内或体内生成的化学物质，研究人员对可与人体血液成分发生化学作用的化合物在人体中的含量进行了测量。由于血液中血红蛋白含量丰富，绕体内所有部位循环，故人们集中对它进行了研究。结果发现，大部分可与血红蛋白发生反应的化学物质也可与DNA作用，从而导致DNA损伤，最终出现基因突变。

过去10年来，麻省理工学院环境卫生科学中心副主任，毒物学系教授史蒂文 · R · 坦南鲍姆（S. R. Taunenbaum）对各种可与血红蛋白发生作用的化学物质进行了研究。最初，坦南鲍姆教授研究了一种被称为芳族胺的化学物质，具体说就是在吸烟者体内发现的4－氨基联苯。这种化合物在体内代谢后，形成一种以化学形式束缚（即加合）于血红蛋白分子的活性化合物。

坦南鲍姆教授的研究小组运用一系列先进的分析手段，发现吸烟者体内4－氨基联苯的平均含量是不吸烟者的六倍，与吸烟程度有关，戒烟后含量迅速下降。此外，该研究小组最近发现，新生婴儿体内加合4－氨基联苯含量与母体中该物质的含量有关，这说明孕妇体内代谢的4－氨基联苯可对胎儿产生影响。

与此同时，坦南鲍姆教授领导的实验室还对多环芳经进行了研究。我们知道，在日常生活中，像房屋取暖、汽车驾驶、肉类的熏烤、甚至在有机肥料的堆积过程中，都会产生含有多环芳经的残余物。许多多环芳烃类物质与芳族胺一样，可导致人体细胞出现遗传变异、此外，多环芳经可在实验动物中诱发肿瘤，尽管给予这些动物的多环芳烃剂量比人类在通常情况下接触的剂量高得多。

为测量束缚于血红蛋白分子的多环芳烃含量，坦南鲍姆教授采用了一项技术，它可利用分子在接近绝对零度时的性质，在此温度下，我们可以轻而易举地区分各种多环芳烃分子。坦南鲍姆小组的研究人员测量了一种叫做苯［A］并芘的多环芳烃类物质束缚于不同个体血红蛋白分子上的数目，以确定个体差异对苯［A］并芘的加合度有多大影响。

在此同时，麻省理工学院环境卫生科学中心的另一位副主任、化学教授克劳斯 · 贝曼先生正从事一种可以辨认任何血红蛋白加合物方法的研究。贝曼教授的研究小组利用酶使血红蛋白分子分离，然后用两台串联的质谱仪进行分析。第一台质谱仪测量出所有血红蛋白分子分离碎片的分子量，找出那些由于有化学物质加合而使分子量大于正常值的部分，然后用第二台质谱仪记录每个血红蛋白加合物的结构图谱。根据这些图谱，便能推断化学物质在血红蛋白分子结构中的取位以及它是哪种化合物。

由于束缚于血红蛋白分子的化学物质含量极微，贝曼教授小组的研究人员对串联质谱仪设备进行了改进，使之更加灵敏。他们采用的技术与军用夜视仪中红外图像倍增管的原理相似。如果再结合化学方法去除大部分正常的（非络合）血红蛋白分子，则这种方法的分辨率可达万分之一到十万分之一。就人体研究而言，该灵敏度已足够了。

另外还有一些研究是测量DNA分子中的化学作用，其产物是构成基因突变的原始诱因。例如，由麻省理工学院毒物学系主任杰拉尔德 · N · 沃根教授（Ge. raid N. Wogan）领导的研究小组已经找到了一种测量黄曲霉毒素DNA加合物含量的方法。黄曲霉毒素产自变质发霉的食物，对老鼠有强烈的致肝癌作用。研究人员通过大量研究，证实在中国等肝癌高发病地区，许多人接触了大量的黄曲霉毒素。

二、探测人体中的基因突变

有了沃根、坦南鲍姆和贝曼的研究结果，人们不禁会问，究竟是哪些（如果有的话）已知的与血红蛋白加合的化学物质导致了人们患生物学疾病？

对这一问题的解答涉及以下事实：人体细胞与某种化学物质接触后，产生一种被称为突变谱的可复现型基因突变（reproducible set of mutation）。

早在50年代，有两位遗传学家（普渡大学的西摩 · 本泽和印第安纳大学的欧尼斯特 · 弗里兹）发现，不同的化学物质导致病变的DNA中出现不同突变谱。到70年代后期，我们认识到，人体组织样本中的突变谱通常暗含着该样本中基因突变的原始诱因，因此推断人体DNA中的突变谱或许能为我们提供一条解开人体基因突变之谜的途径。

这一设想在当时是很新颖的，即便在今天也未引起足够重视。主要的反对观点认为，基因突变的诱因可能是多方面的。我们每个人都会接触到多种诱变物，还可能产生自发的基因突变。根据这种推理，人体组织中的突变谱应是多种诱变因素共同作用的产物，因此不可能区分并指出哪种因素是诱发突变的真正原因。

不错，如果我们研究的人体组织同时受到多种诱变因素的作用，并且其浓度高到足以产生相互作用的程度，那我们当然无法知道究竟是哪种诱变因素导致了哪种突变。但是当我们所研究的人体组织只受到低浓度诱变因素混合物作用时，我们便会发现，所有基因突变常常只是由其中的一两种化学物质诱发的。因此我们认为，有关突变谱的一般概念是错误的，至少对低浓度时的情况如此。

然而，人类对这一领域的知识知之甚少。在1977至1978年间，分析化学家罗恩 · 海蒂斯（Ron Hites）（现在Indiana大学任教）试图解释为什么普通油烟会诱发细胞基因突变。他想知道是不是质谱仪识别出的所有油烟成分都具有生物活性。海蒂斯将80种油烟中的化学成分交给毒物学研究生迪布拉 · 卡迪由他测量每种化学物质诱发突变的能力。结果，海蒂斯和卡迪恩发现，真凶只有一个，它就是被称为环［c，d］并芘的化合物，是油烟中的微量成分。他们确认，油烟中的另一种成分，即广为人知的致突变物苯［A］并芘，其浓度极微不足以产生可探测的遗传变异。

在此期间，人们还进行了其他类似的研究。例如，人们发现在柴油机排出的废气中，只有一种化学物质——甲基并芘——导致了大部分的人体细胞基因突变。

为什么在如此多的情况下，某一复杂混合物的诱变作用都仅仅来自其中的某一种化合物？我们知道，各种化学物质在人体内的浓度差别很大，呈钟形曲线（bell curve）分布。因此根据概率论原理，浓度占体内第二位的化学物质其浓度远远低于占第一位的化学物质的浓度。

化学物质的分子致变作用也遵循相同原理。由于基因突变的数量取决于体内某种诱变物质的浓度及其诱变能力，因此由每种化学物质诱发的基因突变在数量上相差甚远。最重要的一点是，我们可以预料在某种诱变混合物中，某一诱变物具有比其他成分强得多的致突变作用，它诱发了几乎所有基因突变。

因此，即便每一个体一生中接触过种类繁多的化学物质和好几种辐射，但可能只有某一种（或很少的几种）致突变物是基因突变的主要诱因。

由于缺少直接的人体研究条件，因此无法对上述概念加以验证。直到1979年，我们才着手研究用来观察活体细胞突变谱的方法。

我们采用的方法是80年代初期由伦纳德 · 勒曼（Albany医学院的分子生物学家）首创的所谓变性梯度凝胶电泳法（denaturing gradient gel electrophoresis）。这项技术可将正常DNA链与变异DNA链区分开。施加电场后，可使一段（Piece）DNA链通过化学筛。不同的DNA链片断停在化学筛的不同位置。我们设法使正常DNA链片断沿化学筛移动的距离比变异DNA链片断远得多，以便进行观察。

在使用变性梯度凝胶电泳技术之前，我们首先使用包括紫外线、X射线和若干种化学物质在内的一系列致突变物对人体细胞进行处理，然后把处理过的细胞放入含有6－巯基鸟嘌呤（一种抗肿瘤药）的培养液中培植。除了那些在X染色体上某段特殊DNA链发生了基因突变的细胞以外，6－疏基鸟嘌呤可杀死所有其他细胞。将经过以上步骤处理过的人体细胞放入化学筛进行变性梯度凝胶电泳实验，结果证实，每种诱变物质在某一DNA片段上产生唯一的突变谱。这种方法的灵敏度可达10万分之一，恰好等于正常成人白血球中的突变体比例。

三、人体研究

我们现在的任务是从活体细胞研究过渡到对可能受到环境污染物侵害的普通人的血液样本进行研究。由于使用6－巯基鸟嘌呤方法之后，我们只能在X染色体上探测到一个突变基因，根据个体的性别，该个体身上的每个变异细胞中只可能有一个或二个突变基因。如此之低的突变体比例使得我们为获得具有统计意义的实验结果，必须采集多达1品脱（0.57升）的血液样本。显然，除了在少数实验室条件下，这种方法是行不通的。

为解决这一问题，我们对在每个细胞中可重复出现一万次的DNA链进行研究。这种DNA链存在于线粒体中，线粒体位于细胞核外，为细胞的新陈代谢提供能量。如果这项研究取得成功，我们就可以从仅有0.1毫升（约为一盎司的300分之一）的血液样本中获得高质量的突变谱。

在运用突变谱分析法进行的首例人体研究中，毒物学研究生约翰 · 哈尼坎普对4名健康成人血液样本白血球中的基因突变进行研究。该项实验涉及两组样本：直接样本（直接采集的人体血液标本）和间接样本（繁殖了15代的实验室培植白细胞），我们必须将这两组样本中发现的变异DNA链区分开来。对直接样本的研究可以验证我们的假设：只有一种致突变物导致了人体组织中绝大多数的基因突变。间接样本分析则可揭示白血球中的自发基因突变。这将有助于说明哪些基因突变起源于体内自发过程，哪些突变是由于外部化学物质的作用。如果哈尼坎普找到了由非自发DNA变异导致的突变谱，则这种突变谱中应该包含着某种共同因素，它是导致不同个体中某种基因突变的主要原因。

对人体基因突变的研究终将使人类能够解答环境污染物如何对人体产生影响。展望未来，如果把我们对突变谱的研究结果与坦南鲍尔、贝曼和沃根等人对与A红蛋白或DNA发生作用的生物活性物质的研究结果相结合，我们就能确定到底是哪些化学物质导致了某一个体的基因突变。

上述研究成果将使人们以理性的态度管理、控制各种致癌物质，同时减少了动物研究的需要。此外，这种研究癌症诱因的一般方法还有助于解决涉及毒性化学物质的法律纠纷。如果原告认为某种物质使他患上癌症，并且在他身体的组织样本中的确发现了该物质的特征突变谱，法庭便可确认原告的指控成立；反之，如果没有发现那种物质的特征突变谱，法庭便可驳回原告的指控。

几十年来，为寻找导致癌症等疾病的凶手，公众一直大力支持环境卫生科学领域的基础研究。然而，目前仍有25%的美国人死于癌症。如果我们的研究方法最终能使人类找到究竟是环境中的哪些因素导致了基因突变，那便是对人民所给予我们支持的回报。

[Technology Review，Vol. 94 No A1991年5~6月号]