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砷诱导人类鳞状程控癌
文摘
砷是一种强有力的人类致癌物。全世界约有一亿人可能已经暴露在这类金属浓度被认为是不安全的。发生一般通过自然地质来源的饮用水,很难控制这种污染。砷的生物转化是怀疑有一个角色在arsenic-related发展成恶性肿瘤的健康影响从急性毒性与慢性接触有关。已经表明,砷展览偏好诱导鳞状细胞癌在人类,尤其是皮肤和肺癌。有趣的是,角蛋白成为这arsenic-related鳞状程控偏好的相关因素。此外,基因组和外遗传性改变与arsenic-driven有关肿瘤的过程。这些畸变以及角质等其他因素的变化,可以解释砷和鳞状细胞癌之间的关系。
1。背景
是一个著名的人类致癌物砷(类,根据国际研究机构Cancer-IARC [1])。建议对饮用水中砷浓度阈值≤10μg / L (2,3]然而,慢性接触超过这个极限据报道全球影响全球近一亿人每日,尤其是在孟加拉国、台湾、蒙古、印度、中国、阿根廷、墨西哥、加拿大、美国、智利等国家(4- - - - - -9]。长期影响是一个主要的健康问题在受影响的地区。
在环境中,可以发现砷氧化态+ 3(称为亚砷酸盐或[3]),或+ 5(砷酸或[V]),表现出不同等级的毒性(10]。水平的提高无机砷(结合氧气、氯和硫等元素)的主要原因是饮用水中砷的毒性(11,12]。
肿瘤和非肿瘤的效果都被描述为砷暴露的结果。非肿瘤的影响主要包括周围性血管疾病(例如,“黑脚病”几乎只在台湾地区受砷污染的影响(13)、高血压、糖尿病、严重的动脉粥样硬化,神经病变,,重要的是,皮肤改变,如角化过度和色素沉着过度(13- - - - - -16]。角化过度尤其相关,因为它被描述为一个前体病变与砷暴露相关的皮肤癌肿瘤(17- - - - - -19]。
几种类型的癌症已经因暴露于砷(20.- - - - - -25]。皮肤、膀胱和肺是暴露的主要靶器官受到不同的路线。皮肤癌是最常见的恶性肿瘤与砷摄入有关。肺癌是最致命的癌症相关的暴露于砷(26,27]。内部器官,膀胱癌展品最高的相对风险(20.,28,29日]。其它不太常见的癌症与砷暴露包括肾脏、肝脏和前列腺癌(30.,31日]。
arsenic-induced疾病的机制还有待阐明。砷进入人体时,它很容易从五价砷的物种减少到三价的形式,和,随后,有一系列的氧化甲基化反应主要生成三——五价的甲基化代谢物(32]。它提出了砷的生物转化过程激活其致癌潜力。这个假说得到了观测的甲基化砷的物种(特别是三价)显示出异常的影响,如酶抑制(特别是氧化还原酶),破坏DNA结构,激活AP-1-dependent基因转录(33,34]。
肿瘤的影响由于砷生物转化可能发生在基因和表观遗传水平。砷可以破坏DNA,主要通过氧化应激等有毒物种的生成活性氧(ROS),这可能会导致染色体畸变。
图1其次,使用S-adenosylmethionine砷(SAM)作为甲基供体在其生物转化。因此,剥夺的细胞池甲基可以阻止某些细胞过程,导致表观遗传机制的改变可以导致arsenic-induced致癌作用[35]。砷和砷代谢产物可以直接和间接地影响正常的表观遗传转录调控DNA甲基化水平,组蛋白维护和microrna的表达(图1)[36,37]。
1.1。程控Arsenic-Induced癌症特异性
尽管对砷致癌性靶器官之间的生理差异,一个共同的特点被描述,即独立鳞状程控偏好,受影响的器官。事实上,SqCC是最常见的癌症之一,在chronic-arsenic-exposed人类[38,39]。程控特异性已经前所述主要用于皮肤和肺癌,和一些研究显示对肝癌(40,41]。在本文中,我们将集中在两个主要arsenic-associated特异性报道类型的癌症,即皮肤和肺癌。
1.2。皮肤癌和砷暴露
皮肤癌是最常见的恶性肿瘤与摄入砷通过饮用水26]。有三个主要的病理细胞类型的皮肤癌:基底细胞癌(BCC)鳞状细胞癌(SqCC)和恶性黑色素瘤。前两个细胞类型是最常见的类型的皮肤癌,他们属于集团的非黑素瘤皮肤癌。暴露在饮用水中砷与SqCC和BCC的发病率有关,而不是与恶性黑色素瘤的发病率(42]。Arsenic-related SqCC皮肤可以开发新创或从博文氏病(BD)癌变前的皮肤病经常报道,由于慢性砷暴露(43- - - - - -46]。此外,有区别砷引起的诱导,而不是皮肤癌病例。例如,arsenic-related BCC non-sun-exposed地区发展通常身体的(与紫外线的皮肤癌)和展品多个焦点(47]。
细胞类型特异性一直在直接观察长期暴露人群。在一个关键的研究从台湾、SqCC和BCC似乎与摄入砷(42]。然而,皮肤癌之前,第一个观察慢性砷暴露的影响是良性的皮肤损伤,如色素沉着过度和角化过度43,48]。皮肤角化过度是常见的慢性砷中毒,被认为是前兆SqCC因为癌症可以来自这些病变(17- - - - - -19]。
往往集中在砷外胚层的组织,包括皮肤,头发和指甲(48]。皮肤吸收砷不是主要暴露途径,因为一些衍生的砷代谢低渗透(49,50];然而,砷酸盐和亚砷酸盐积聚在真皮和表皮49]。在这种背景下,表皮干细胞已经被提议作为一个潜在的目标arsenic-induced致癌作用,因为这类金属可以提高干细胞在文化的相对比例51,52]。
角化细胞干细胞(ksc)是一组相对静止细胞广泛增殖潜力和无限的自我更新能力(53,54]。DSS1(分裂手/分裂脚1中删除)是一个12-O-tetradecanoyl phorbol-13-acetate - (TPA)诱导基因表达ksc皮肤致癌作用中起着重要的作用,是表皮细胞增殖和致癌所需变换(55]。DSS1表达显著增加在成人皮肤的Tg SqCC诱导。一个C mice—a strain sensitive to skin carcinogenesis via activation of the v-Ha-ras transgene likely in KSCs—by arsenic plus TPA compared with TPA alone [56]。其他基因响应相同的激活机制皮肤癌,Sprr2a,ptg,Col1a2,也增加了Tg的SqCC发达。AC老鼠(56,57]。砷也有可能诱发人类角质细胞的恶性转化。永生的人类上皮细胞系(HaCaT)暴露于砷在28周的100 nM生成高度积极SqCC当接种到裸鼠[58]。
基质金属蛋白酶9 (MMP-9)在肿瘤进展中扮演一个重要的角色,特别是在转移能力,及其本构人类角质细胞分泌与致瘤性的程度(59,60]。人类角质细胞改变了砷展览MMP-9分泌增加,观察到类似的程度产生SqCC arsenic-transformed细胞接种后在小鼠(58]。这表明MMP-9的异常表达可能是早期的标志SqCC arsenic-induced皮肤。
最后,它已经表明,砷可以作为皮肤cocarcinogen(图1)。在这种情况下,它已经表明,低浓度的砷可以增加肿瘤紫外线诱导的小鼠,高比例的SqCC [61年]。
1.3。肺癌和砷暴露
肺癌是最致命的癌症相关摄入砷(27]。一些报告表明肺癌的发病率更高SqCC人群暴露于砷(表1)。这种关系在几个人类已经证明。在台湾,病人从一个地方性砷中毒地区通过饮用水与曝光有更高比例的鳞状细胞和小细胞癌,但腺癌的比例较低40]。
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| __数据从黑脚病病人在台湾地区。 鳞状细胞癌,小细胞癌;拿拿淋:数据不可用;:阶梯短环到超级扁环标准化死亡率;或:优势比。 |
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在智利北部,高比例的SqCC经常发生在不吸烟者谁一直长期暴露于砷,这很有趣,因为SqCC是经常与吸烟和全球范围内的发病率有所下降24,62年]。在孟加拉国农村地区,饮用水中的砷污染管井与肺癌相关的男性,与肺SqCC被地区的主要组织学亚型砷浓度高于100μg / L (63年]。此外,肺SqCC更频繁的在孟加拉国居民吸烟和暴露在饮用水中砷浓度(> 100 mg / L)比不吸烟者(63年]。
职业暴露于砷在人们还要研究还揭示细胞类型特异性arsenic-induced肺癌。一个后期葡萄酒种植者的研究发现,37.6%的肺癌患者受到慢性砷中毒的SqCC类型,比例明显高于与三四个参考数量(64年]。另一方面,冶炼厂工人暴露于砷没有表现出肺癌的主要组织学分布的变化(与参照组);然而,肺SqCC最高数量的情况下,即使在从未吸烟者(65年,66年]。相反,其他研究显示没有不同的组织学类型的肺癌与砷暴露有关,挑战假设小细胞未分化和表皮样癌(SqCC)是唯一的亚型,砷,而增加其他致癌物质(67年]。
信息从德国铀矿工死于肺癌的1957 - 1990年期间分析的假设下砷可能影响肺癌的分布类型(68年]。有一个arsenic-related肺癌的比例增加SqCC矿工之间没有各级矽肺病coexposure氡和石英粉尘。
1.4。角蛋白在Arsenic-Induced SqCC
中间filament-based的主要结构蛋白细胞骨架的上皮细胞角蛋白(69年]。角蛋白是密切相关的组织和特异性分化的上皮细胞70年),因此他们的角色在arsenic-induced SqCC已经探索。有趣的是,arsenic-induced致癌作用与增强这些细胞骨架蛋白的表达在皮肤、肝脏、膀胱和(41,58,71年- - - - - -73年]。
Hyperkeratinization复层上皮细胞是一种常见的临床表现的砷暴露(17]。值得注意的是,arsenic-associated SqCC通常来自arsenic-induced角化过的病变,这表明功能失调的角质化可能发挥重要作用在arsenic-induced致癌作用[18]。人类角质细胞、砷已表现出促进表达CK1的大幅增加,CK10, involucrin, loricrin [58),而这些医院是主要的标志鳞状分化(74年]。表皮干细胞标记CK5、CK14 CK15也被证明与砷暴露增加(72年,75年- - - - - -77年]。CK8、CK17 CK18在入侵SqCC,也诱导arsenic-treated角化细胞(72年]。除了细胞模型研究,以人群为基础的报告慢性砷暴露在台湾显示进步的角蛋白表达的改变各种皮肤损伤,包括角化过度和SqCC。在这项研究中,CK6、CK16 CK17与砷暴露在SqCC[有关73年]。
角蛋白的破坏引起的砷促进DNA蛋白质的形成使交联,从而损害DNA复制(41]。这一事实砷具有高度的亲和力硫醇团体,包括那些附加到thiol-rich角蛋白等蛋白质,可能导致其在上皮组织积累导致进一步DNA蛋白质使交联,DNA损伤,可能还有其他的缺陷。事实上,角蛋白合成与分化程序紧密相关的一系列的上皮细胞类型(78年]。因此,砷可能不仅破坏DNA,而且修改在细胞分化模式积累。随后arsenic-induced遗传和表观遗传改变最终可能导致SqCC的发展。
1.5。遗传和表观遗传变化与砷暴露有关
描述了一些基因改变人类摄入砷有明确的联系。例如,摩尔等人发现膀胱肿瘤基因组的变化(从arsenic-exposed移行细胞癌、移行细胞癌)患者使用染色体比较基因组杂交(CGH) [79年]。在不同复发arsenic-related DNA拷贝数的改变(CNAs)发现,DNA染色体9 q是显著的,因为它是唯一的改变更频繁地观察到从未吸烟者比吸烟者在这项研究。同样,许等人确认必须在膀胱移行细胞癌肿瘤从台湾西南部80年]。17岁获得3 p和损失p13从智利和阿根廷北部的结果是一致的。
最近,arsenic-related必须被确定在肺SqCCs长期暴露患者从智利北部81年]。改变是由全基因组tiling-path阵列比较基因组杂交(CGH)平台(中描述82年,83年])。明显,0.3 Mb DNA损失在9 q12优先arsenic-exposed情况下(图中检测到2)。染色体9问arsenic-induced人类肿瘤的作用需要进一步调查;然而,普遍变化检测膀胱和肺肿瘤显示一个潜在的参与arsenic-related肿瘤的过程。
砷也有表观遗传效应在DNA甲基化水平,组蛋白维护和microrna的表达(了36,37,84年])。由于砷生物转化使用S-adenosylmethionine (SAM)作为甲基供体,它已经被提出,山姆损耗可能会干扰细胞过程需要甲基,导致变更的表观遗传机制也可以参与arsenic-induced致癌作用[35]。启动子甲基化影响RASSF1A基因P53, p16INK4A分子,和PRSS3被描述在肺癌细胞系和肿瘤组织从老鼠和人类85年- - - - - -87年]。另一方面,砷可以修改正常组蛋白模式。(III)也已被证明能够增加H3K9 dimethylation并减少H3K27 trimethylation,标志着与异染色质的形成(即有关。基因沉默)和减少H3K4 trimethylation与积极转录相关常染色质(88年]。在人类nontumorogenic细胞系,arsenic-induced恶性转变引发了针对特定基因表达的变化,这是与各自的组蛋白乙酰化水平(启动子区域89年]。
在过去几年中,microrna的上下文中被集中研究arsenic-related癌症。越来越多的研究表明,砷暴露可以改变microrna的表达水平在体外和在活的有机体内。microrna的改变与砷(或其代谢物)证实了人类lymphoblastoid细胞、人类周边血液细胞,小鸡胚胎(87年,90年]。暴露的永生化人支气管上皮细胞低水平的砷诱导恶性转化和epithelial-to-mesenchymal过渡p53 -依赖的方式通过减少水平的mir - 200家庭成员(91年]。在人类周围血液细胞的情况下,microrna的变化可能与甲基化模式的改变,因为相同的变化观察细胞folate-deficient条件下生长时,这可能导致减少水平的山姆(87年]。
2。结论
饮用水中砷影响数以百万计的人在世界范围内,构成一个紧迫的健康问题92年]。数亿人接触过这类金属通过饮用水、导致发病率和死亡率在全球范围内(5,6]。砷会导致各种各样的健康问题,明显的癌症的症状可能不会出现在20到30年后接触(93年]。
几个基因畸变arsenic-induced癌症均有描述。基于独特的基因变化,有人提议arsenic-induced肺SqCC可能对应于分子不同形式的肺癌(81年]。此外,砷生物转化过程是伴随着一系列的甲基化变化,导致表观遗传变化起到关键作用的假说arsenic-induced致癌作用。DNA甲基化模式的改变(尤其是在关键基因的启动子区域)和改变的“组蛋白密码”很可能机制arsenic-induced恶性转变。此外,microrna似乎发挥重要作用在这个水平。
理解相关的优惠鳞状程控肿瘤的发生机制与砷暴露,尤其是皮肤和肺癌,是紧急医疗保健问题。砷已经被证明可以促进角蛋白的表达显著增加相关鳞状分化,可以,在某种程度上,由于遗传和表观遗传变异与砷生物转化有关。这对应于一个潜在的机制来解释优惠组织学亚型引起的砷,独立于目标器官。还需要进一步的研究来阐明管理arsenic-driven致癌作用的分子机制,以及偏爱组织学亚型。这些知识可以提高面向策略的早期诊断和靶向治疗这些和其他arsenic-related疾病。
确认
这项工作是支持的基金从加拿大卫生研究院的研究(77903年86731年和拖把),加拿大癌症协会(CCS20485)和CIHR弗雷德里克·班廷和查尔斯·e·a·Vucic最好的加拿大研究生奖学金。
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