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第四章遗传毒物在体内的代谢转化
第一节几个基本概念
包括环境遗传毒物在内的外源化学物的体内代谢转化过程，对于毒理作用的表现十
分重要。遗传毒物的代谢转化取决于许多因素，首先是不同物种在代谢途径和代谢能力
方面的种属差异，对这个问题的了解将极大地影响我们将动物实验数据向人类作出的合
理外推；其次，个体的年龄、性别、营养和健康状况等方面的不同，也会影响到代谢能力差 异；特别重要的是不同个体遗传背景方面的差异，不同人种集团(group)或不同地域居民
群体问，甚至同一群体内不同个体间与代谢有关基因多态性结构或频率分布特征的差异， 都将会导致不同个体经历同一毒物同一剂量水平暴露后生理反应的明显差异[1]。
1．生物转化(biotransformation)
环境物质，包括众多遗传毒物，通过消化道、呼吸道和皮肤等途径进入机体后，在体内 不同酶系的催化下会发生一系列生物化学反应，使得物质化学结构发生变化，这个过程称 为生物转化，也有称为代谢转化的。参与催化外源物质生物转化的酶称为外源物质代谢
酶。由于生物体面临的化学外环境千变万化，在质的构成和量的水平上都处于动态变化
中，特别是相当一部分环境化学物是原先自然界所没有的，主要是从西方工业革命开始以 来的几百年内，尤其是进入20世纪以后，作为人类活动的结果才引入地球环境的。适应
于这样的外环境条件，生物体外源物质代谢酶有以下几个鲜明特点：①一般都具有较广
的底物谱，底物专一性一般不是非常严格，可以催化结构相关甚至并不相关的许多化合物 的同一种或同一类代谢反应。②NN 基N--般都构成家族或超家族，家族内不同成员编
码的产物(同工酶) ，各有其最适底物谱，其底物谱之间又互相覆盖。③除了个别基因在
体内是以“构成形”稳定表达外，不少是受诱导后才表达的，即遵循“需要才生产”的“经济 原则”。
2．代谢减毒(metabolic detoxification)
人体每天通过食物、饮水、呼吸或皮肤接触吸收的环境有害物质，包括各种遗传毒物， 主要通过尿液和胆汁两大途径排出体外，上述两大排出途径都要求被排除物质具有一定
水溶性，实际上除了少数环境遗传毒物本身具有较大极性外，绝大多数是高脂溶性，必须 通过代谢反应改变分子结构以便增加极性。一般说来，为了达到有效的减毒，代谢过程往 往具备(或部分具备) 以下特征：①代谢产物必须有足够的水溶性。②代谢产物对机体
有害效应较弱，不至于造成严重的毒理作用。③有关的酶系必须具有较广的底物谱。并
非所有的代谢过程都能导致外源物质毒性的减弱或消除，在有些情况下，代谢过程恰恰使 代谢物的毒性比母体化学物更高，或表现新的毒理效应。
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3．生物活化( bioactivation)
生物活化又称代谢活化( metabolic activation)遗传毒性物质或其代谢中间物分子的 亲电子中心和遗传物质DNA 链上的亲核中心产生共价结合是启动(initiation)化学致癌
作用的关键事件，在癌的促进( promotion)和进展(progression)中也起到一定的作用。大 量的化学致癌物在环境中是以“前致癌剂”的形式存在的，必须通过体内代谢，转化为亲电 子的“最终致癌剂”( ultimate carcinogen)才得以表现致癌活性。
4．代谢基本过程
遗传毒性物质在体内的代谢过程基本上可分为两大阶段，即所谓的工相反应和Ⅱ相
反应过程（表4 -1）。外源化学物质的体内代谢通常是通过环环相扣的一系列步骤完成
的。通过和某些内源性物质，如还原型谷胱甘肽、葡糖醛酸等的结合来增加水溶性，结合
作用要求化合物分子上具有适当的功能基团，这些功能基团必须通过专门的代谢步骤引
入或予以暴露，这个功能基团化的过程通常就称之为工相反应，随之的结合反应则称之为 Ⅱ相反应。根据所引入或予以暴露的功能基团的性质，这些基团又可分为亲电子的和亲
核的两大类，环氧桥（环氧化基团）和a ，β一不饱和羰基是典型的带亲电子碳原子的结构； 醇羟基和酚羟基，氨基和巯基以及羧基是重要的亲核基团。亲电子基团由于容易和富电
子对象，如脱氧核糖核酸、核糖核酸以及蛋白质等生物大分子结合，导致致突变性和细胞 毒性，一般说来，亲核物质不与体内生物大分子共价结合，对生物体危害效应一般也比较 小。Ⅱ相结合反应通常终止了亲电子物质和DNA 以及蛋白质共价结合或与受体结合的
能力，同时提高了分子极性，加速了毒物被排出体外的速度，Ⅱ相反应在大多数情况下代 表了机体的减毒倾向[2]。
表4-1遗传毒性物质基本代谢过程
第二节 I相代谢反应
一、氧化一还原反应
1．依赖于细胞色素P - 450的单加氧酶系
就其最佳底物的数量及可催化代谢反应的多样性来看，在所有和I 相代谢反应有关
的酶系中，依赖于细胞色素P - 450的单加氧酶系（cytochrome P- 450 - dependent
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mon∞xygenases)所起的作用最重要。其核心部分是细胞色素P 一450(cytochrome
P 一450．EC l．14．14．1) ，几乎所有的人体组织器官中都有细胞色素P 一450的存在，尤以 肝脏细胞内质网上含量最多。
真核生物中和遗传毒物代谢有关的细胞色素P 一450几乎都是膜结合蛋白，主要嵌
合在细胞的内质网结构上。实验室里通常通过组织匀浆破碎细胞，应用差速离心，首先去 除细胞碎片和线粒体组分，上清液再次离心，细胞色素P 一450就随着内质网碎片即所谓 微粒体结构沉降在10 0009沉淀中。P 一450是一个血红素蛋白，通常P 一450血红素内 的铁原子以三价铁形式存在，在某些还原剂作用下，三价铁可被还原为两价铁，还原型细 咆色．素P 一450和一氧化碳结合差光谱在450nm 处有一个主要吸收峰，这是细胞色素
P 一450区别于其他血红素蛋白的一个显著特征，就由此得名为“P一450”。
依赖于细胞色素P 一450的单加氧酶系主要以以下方式催化底物的代谢：
底物(RH ) +O 2+NADPH +H +→产物(ROH ) +H 2O +NADP +
这一基本过程是一个单加氧过程，氧分子中的一个氧原子和底物结合，另一个则还原为
水，这里需要NADPH 作为质子供体。在反应中P 一450与底物及氧原子直接结合，和
NADPH 不直接作用。大多数细胞色素P 一450首先和底物结合，然后才和分子氧结合并
活化分子氧，这样机体就免于被所产生的活性氧成分伤害；在有竞争性抑制剂存在的情况 下，抑制剂通过和P 一450活性中心结合，启动活性氧的产生，而不伴随其他物质的氧化， 从而对机体造成损伤。在有些情况下，NADH 取代NADPH 在反应中的作用。P 一450催
化反应必须有适当的电子来源，为了使氧分子中的0一O 键断裂，血红素铁首先必须通过 电子传递链得到两个电子而被还原，根据P 一450在细胞内的定位不同，生物体有两种不 同的电子传递链：为定位于内质网的P 一450提供电子的是NADPH 细胞色素P 一450还
原酶，它本身也是一个内质网定位酶，通过N 末端的“尾巴”穿越内质网，分子的大部分在 内质网的细胞质方向，这个酶有两个结构域(domain)，各有一个黄素分子，两个电子从
NADPH 经FAD 和FMN ，最后到达P 一450的血红素铁；对线粒体定位的P 一450(如
CYPllAl 、CYPllA2、CYPllBl 、CYP24、CYP27A1、CYP2781) ，电子传递链的组成有所
不同，在这里铁氧化还原蛋白是P 一450的直接电子供体，铁氧化还原蛋白不含有黄素， 替代黄素位置的是铁硫簇，铁氧化还原蛋白被铁氧化还原蛋白还原酶(一种黄素蛋白) 所
还原，电子从NADPH 经铁氧化还原蛋白还原酶和铁氧化还原蛋白，最终到P 一450；还有 个别P 一450从．细tga 色素b5得到电子。
以下列举P 一450催化的几个典型反应：
1)双键环氧化：
''香豆素→香豆素-3, 4-环氧化物
2) 羟基化作用：
脂肪族碳羟基化：
睾酮−−−−→6β-羟基睾酮 CYP3A4
芳香碳羟基化：
香豆素−−−−→7-羟基香豆素CYP 2A 6
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3) 杂原子去烷基化：
7-乙氧基，9-羟基-3-异吩噁唑酮(7 -乙氧基试卤灵)CYPIA1／2，9-羟基-3-异
吩噁唑酮（试卤灵）
4)杂原子氧化：
4-（甲基亚硝胺基）-1-（3-吡啶基）-1-酮(NNK)—一N-氧化NNK
5) 脱氢反应：
除了催化上述的反应外，P - 450还可能催化其他一些反应，如偶氮还原、氮还原以及 还原脱卤等；在甾体激素合成过程中P - 450也可以催化C-C 键断裂，例如CYP11A1在
胆固醇转化为孕烯醇酮过程中的侧链断裂作用；以及取代环己烷的芳烃化作用，如
CYP19在将睾酮转化为雌激素时就起了芳烃化酶的作用。
所有的细胞色素P- 450基因都属于一个超基因家族，基因根据其序列同源性归为
不同的基因家族和亚家族，氨基酸序列同源性高于40%者归为同一家族，高于55%以上
者归人同一亚家族。目前有约1000个不同的细胞色素P - 450基因完成了序列测定，分
别属于74个基因家族，目前已知有17个人类P - 450基因家族，其中有20个亚家族已在 人类基因组中定位[3]。参与人体代谢的主要为c YP1至CYP3家族以及CYP4家族部分
成员的基因产物（表4=2）。
表4-2人类细胞色素P- 450主要基因家族及代谢催化功能
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表4-3已完成序列测定的CYP 基因
一命名中数字后的字母P 表示该基因是一个不可能产生功能蛋白质的假基因。
2．含黄素的单加氧酶系催化的反应
含FAD 的单加氧酶系（flavin-containing monooxygenases，FMO ，EC l.14 .13.8）主要 存在于肝脏、肾脏和肺中，也是微粒体酶，FMO 与依赖于细胞色素P- 450的单加氧酶系
(CYP)在功能上有交叉，虽然两者在催化机制上完全不同。许多体外实验手段可以区别
各种FMO 和CYP 的催化活性，首先FMO 对热不稳定，在没有NADPH 存在的条件下，
50℃保温1min ，就可以使FMO 全部失活；CYP 对非离子性去垢剂不稳定，1% Emulgen
911可使之失活，而FMO 几乎不受影响；也可用抗原一抗体结合来进行研究，由分离纯化
的细胞色素P- 450制备的抗体不仅能区分FMO 和CYP 的活性，而且还可以区分不同
种类CYP 的活性，但FMO 与本身抗体相结合却不影响活性表现；抑制剂也可以用于微
粒体中各种FMO 和CYP 的活性的区分。
FMO催化反应历程主要包括如下几个步骤：首先FAD 被NAPH 还原，氧化态
NAP+仍然结合在酶分子上不脱落，并和氧结合形成过氧化物，由于FAD 的活性中心由
非亲核性、高度亲酯的氨基酸所组成，因此生成的过氧化物还比较稳定，随后在底物被氧 化时，4a -羟基过氧化黄素转化为4a -羟基黄素，最后一步是4a -羟基黄素恢复到初始
的氧化态FAD ，释放出氧化态NAP+。
由于FMO 氧转移能力显著低于CYP ，因此前者主要限于催化所谓“软性”亲核中心
的代谢，如亲核N 、S 杂原子的氧化，生成N-氧化物或S-氧化物，以及由叔胺生成N-
氧化物，由仲胺生成羟胺和硝酮，伯胺生成羟胺和肟。肼以及一些含碘、砷、硼的化合物也 可作为含FAD 单加氧酶的底物。
目前发现FMO 只有一个基因家族，包括5个均为单一成员的亚家族，分别命名
FM01～FM05。人类基因组中FMO 家族集中在lq 区段内，编码产物同源性在
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50％～60％左右。以上5个同工酶的表达有显著的种属专一性和组织专一性，人肝脏
中最主要表达的是FM03，肾脏中主要为FM01。不同的FM0具有不同的物理性质，其
底物特异性也不同，例如FM02适合催化正辛胺等脂肪族长链伯胺的N 一氧化，而对
FM01来说，长链伯胺不是合适底物，冬眠灵等短链季胺才是合适底物。
3．依赖于过氧化物酶活性的氧化过程
与前述过程不同，由过氧化物酶催化的外源化合物氧化过程不需要NADPH 及
NADH 参与，它通过耦联过氧化氢或过氧化物的还原来氧化其他化合物，其中的过氧化
[4]
物酶活性并不限于过氧化物酶(peroxidase，P0，EC l．11．1．7) ，多种其他酶都能提供这种 活性，因此我们在此统称为过氧化物酶活性。在外源基因毒物代谢中起过氧化物酶活力
作用的主要有前列腺素H 合成酶(PHS)，主要分布于肾髓、血小板、血管内壁、肠道、脑、 肺和膀胱上皮等处；乳腺上皮的乳过氧化物酶以及血液白细胞中的髓过氧化物酶。其中
研究最多的是前列腺素H 合成酶，PHS 具有双重活性，环氧化酶活性将花生四烯酸转化
为环状的内过氧化物一氢过氧化物PGG2，同时其过氧化物酶活性将氢过氧化物转化为
相应的醇PGH2，就此与外源化合物的氧化过程耦联。
PHS等过氧化物酶活性在细胞色素P 一450活性较弱的肝外组织中遗传毒物代谢活
化过程中起重要的作用。例如在肺部，7，8一二羟基苯并芘的9，10一环氧化可由上皮细 胞中含量很高的15一脂氧化酶所催化，在皮肤里这个代谢可由皮肤脂质过氧化过程中产
生的过氧化自由基促进，提高肺癌和皮肤癌的发病风险。膀胱上皮中P 一450活性很低， 而PHS 量较高，可以活化联苯胺、4一氨基联苯、2一氨基萘等芳香胺，形成可与DNA 加合 的代谢中间物，在膀胱癌致癌过程中发挥作用。
二、水解反应
1．酯酶催化的反应
酯酶(esterases，EC 3．1．1) 其实是一个很庞杂的概念，它除了能催化羧酸酯水解外， 还可以催化许多其他有机物质，如酰胺、硫酯、磷酸酯以及酸酐的水解；另一方面，羧酸酯 或磷酸酯键的裂解也可能由其他酶所催化。和其他代谢酶系不同的是，直到现在为止，还 没有一个比较合理的酯酶分类命名系统。l953年Aldridge 的命名系统，在今天看来虽然 差强人意，但由于在毒理学方面还有部分实用价值，因此文献中仍在使用。根据Aldridge 的定义，能够水解磷酸酯键的为A 酯酶；可被磷酸酯抑制的为8酯酶；既不能水解磷酸酯 也不为其抑制的为C 酯酶。一般认为A 酯酶活性中心中包括半胱氨酸；而B 酯酶则包括
丝氨酸，对B 酯酶而言，有机磷酸酯对丝氨酸羟基的不可逆修饰导致了酶活性被抑制。
目前已经分离纯化或已克隆基因的酯酶绝大多数属于B 酯酶类型。
乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase)也属于B 酯酶，乙酰胆碱酯酶在动物神经活动中 起中断神经递质乙酰胆碱的作用，有机磷类(还有氨基甲酸酯类) 杀虫剂的毒性机制就在
于有机磷对活性中心丝氨酸羟基的修饰，抑制乙酰胆碱酯酶活性。
芳香族酯类是A 酯酶的最佳底物，在有些文献中A 酯酶又被称为芳香基酯酶。A 酯
酶对磷酸酯键的水解作用是哺乳动物对有机磷农药最主要的减毒代谢途径之一。哺乳动
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物A 酯酶活性显著高于昆虫，对有机磷物质的种属差别毒力是这一类杀虫剂分子设计基
础之一。酯酶对有机磷类毒物的减毒作用，除了对磷脂键的水解作用(主要是具有较大
V 。。。值的A 酯酶) 外，还可能通过体内超量合成(overproduction)的酯酶蛋白和有机磷物 质共价结合形成对毒物的“扣押”Csequestration”) 作用，有效降低毒物在靶部位有效浓 度，对于大量的具有较小Vmax 值和Km 值的A 酯酶以及几乎所有的B 酯酶来说，后一种
机制可能更为重要。
关于C 酯酶，目前积累的实验事实还非常有限，惟一可以肯定的是乙酸酯是其最佳
底物，因此文献中也有称为乙酰基酯酶的。
酯酶在人体各种器官内均有表达，迄今为止，还没有关于某一物种或某一组织器官酯 酶种类总数目的确切数据。酯酶大多数是糖蛋白，翻译产物糖基化修饰程度的差异可造
成同一基因的产物以多种形态出现，又由于大多数酯酶是多聚体蛋白质，因此最终可以确 定的基因组内酯酶活性基因总数一定将比以等电聚焦电泳或非变性胶电泳谱判别的酯酶
N-c 酶条带数目要少。
2．环氧化物水化反应
环氧化物水解反应(epoxide hydration)是由环氧化物水化酶(epoxide hydrases，EH ， EC 3．3．2．3) 主要催化碳一氧三圆环环氧桥结构的开环，水解高度亲电子的环氧化物。 由于碳一氧键的高度极性以及不稳定性，环氧化物是高度活化的，很容易和DNA 、蛋白质 等生物大分子共价结合，形成加合物，从而导致细胞毒性或遗传物质突变。哺乳动物体内 的环氧化物水化酶可分为两类：一类是膜结合的，存在细胞的内质网上，称为微粒体环氧 化物水化酶(microSomal epoxide hydrase，mEH) ；另一类存在于细胞质中，称为可溶性环 氧化物水化酶(soluble epoxide hydrase，sZH) 。两者之间氨基酸水平上的同源性小于
15％，但其空间构象却基本一致。从外源基因毒物体内代谢的角度看，mEH 的重要性要
远远超过sEH 。
环氧化物水化酶在几乎所有的人体器官(肝、肺、肾、胰、皮肤、睾丸和卵巢等) 来源的 微粒体组分中都有分布，在某些器官，如肝脏和肺中，环氧化物水化酶活性的组织分布和 细胞色素P 一450基本上是重合的，这就在组织学上保证了由后者催化生成的氧化物能
及时地被水解。
就基因家族而言，mEH 是一个特例，与前述的细胞色素P 一450超家族(CYP)，以及
后面的谷胱甘肽S 一转移酶基因家族(GST)和N 一乙酰基转移酶基因家族(NAT)不
同，mEH 基因家族是单一成员家族，目前只发现了一种人mEH 基因。
mEH对底物结构有一定的要求，它首先要求底物分子必须是高度脂溶性的，同时要
求环氧桥反式位置上无取代基，不致于对酶一底物结合造成空间障碍，mEH 最典型的底
物是多环芳烃的代谢物。虽然mEH 催化环氧化物的水解在绝大多数情况代表了解毒或
减毒倾向[5]，但也有相反的情况，例如它催化7，8一环氧化苯并芘水解阻止了该环氧化物 自发异构化为毒性较低的7一酚或8一酚，生成7，8一二羟基苯并芘，然后在其他酶的进 一步催化作用下，生成具有极高致突变能力的7，8一二羟基9，10一环氧苯并芘，至此， mEH 就无能为力了。
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第三节 Ⅱ相代谢反应
Ⅱ相代谢应(phaseII metabolism)主要包括结合谷胱甘肽(glutathione)、葡糖醛酸
(glucuronate)、硫酸盐化(sulfation)、乙酰基化(acetylation)、甲基化(methylation)。绝大多 数Ⅱ相代谢反应都伴随着分子亲水性的增加，从而促进遗传毒物排出。在许多情况下，
1I 相反应以工相反应，特别是细胞色素P 一450催化反应产物为底物，但也可直接以母体 化合物为底物。
一、谷胱甘肽结合
谷胱甘肽S 一转移酶(glutathione S—transferases ，GST ，EC 2．5．1．18) 催化内源还原 性谷胱甘肽GSH(图4—1) 与遗传毒物或其代谢中间物(大多是I 相反应酶催化反应的结
果) 分子上的亲电子碳原子的结合，此外它还可催化底物分子上亲电子杂原子(如O 、N 及
S) 和GSH 的结合，增加分子的亲水性。
图4—1谷胱甘肽结构
谷胱甘肽S 一转移酶广泛分布于人体各重要组织器官，肝脏、肾脏、肠道、肺部等处活 力最高，体内GST 有两大类：可溶性的，或称细胞质GST ，占GST 总活力的95％以上；膜 结合的微粒体GST ，表现的活力不到总活力的5％。在外源化学物体内代谢作用方面，细
胞质GST 起的作用更为重要。细胞质GST 酶蛋白都以二聚体形式存在。所有的细胞质
GST 基因都从属于单一的超级基因家族，超家族内部众多成员根据DNA 序列同源程度
又分属于6个家族，旧命名法以希腊字母分别标记为GST α、μ、π、θ、σ、κ家族，也有写作 GST alpha，mu ，pi ，thita ，sigma ，kappa 家族；新的命名系统以英文字母取代原来的希 腊字母，改为GSTA 、M 、P 、T 、S 、K 家族，但是旧的系统仍有人在使用[6|。GSTMl 基因
位于人1号染色体，GSTTl 基因位于22号染色体，GSTPl 在11号染色体。
肝脏内谷胱甘肽生理浓度很高(约10 mmol／L 水平) ，因此不能排除某些外源化合物
和还原性谷胱甘肽的非酶促结合，GST 酶通过谷胱甘肽巯基的去质、子化(GSH--，GS 一) 。 以及使底物和谷胱甘肽相互之间正确定向，显著提高反应速率。GST 酶催化反应受细胞
内“产物抑制”反馈机制调控。细胞通过一个有mdr(药物多重抗性基因) 蛋白复合体参
与的主动输送机制不断将结合产物送出细胞外，以维持正常反应速率。同时产物谷胱甘
肽结合物首先在Y 一谷氨酰转肽酶的作用下切去谷氨酸，然后通过氨肽酶的作用切去甘
氨酸，残余的半胱氨酰结合物通过N 一乙酰化最终形成终产物硫醚氨酸衍生物，．-IX 过
尿液排出；完整的谷胱甘肽结合物大多通过胆汁排出。
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除上述反应外，谷胱甘肽S 一转移酶还参与催化碳原子上吸电子取代基团(例如卤
素、硫酸酯、磺酸酯、磷酸酯以及硝基) 的亲核取代，如果芳香环上同时还有其他给电子基 团(如氨基和羟基) 则亲核取代倾向被削弱，反之，如果芳香环上同时还有其他吸电子基
团，反应会加强。一个典型的例子是由1一氯一2，4一二硝基苯(CDNB)和GSH 在谷胱甘
肽S 一转移酶催化下生成S 一(2，4一二硝基苯) 谷胱甘肽和盐酸。
谷胱甘肽S 一转移酶催化的第三类反应是GSH 对a ，p 一不饱和酮双键以及环氧化物
环氧桥的开环亲核加成。许多环氧化物是某些谷胱甘肽S 一转移酶同工酶谷胱甘肽亲核
加成反应的最佳底物，例如GSTPl 对苯并芘7，8一二羟基一9，10一环氧化物开环加成反 应催化活性很强。
二、葡糖醛酸结合
尿苷二磷酸葡糖醛酸转移酶(UDP—glucuronyl transferases，UGT ，EC 2．4．1．17) 催化 多种外源化学物质和a —D 一尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA，图4—2) 的结合，UGT 是细
胞内质网定位酶，主要分布在肝脏内，另外还存在于肾脏、皮肤、肠道、胰脏和鼻黏膜等部 位。葡糖醛酸结合代谢主要是发生在富电子的亲核杂原子(0、N 或S) 上，合适底物包括
以下类型有机物：脂肪醇或酚、羧酸、芳香族和脂肪族的伯胺和仲胺以及有游离巯基的化 合物等。从所负担代谢量的角度看，葡糖醛酸结合可能是最重要的Ⅱ相代谢反应。
UGT催化生成的葡糖醛酸结合产物是高度极性的，很容易通过尿液和胆汁排出体
外，至于究竟是通过尿液还是通过胆汁，则取决于其分子质量大小，较小的分子主要以尿 液形式排出，较大的则主要以胆汁形式排出。
图4—2 a．D 一尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA)结构
尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDP一葡糖醛酸) 是反应必需的辅因子，它是由葡萄糖一1一
磷酸(G一1P) 合成的。必须指出的是，尿苷二磷酸(UDP)和葡糖醛酸之间的键为a 构型， 可以避免J3一葡糖醛酸酶的水解作用。而所有的外源化学物质一葡糖醛酸结合物分子中 间的键都是B 构型，这是因为结合物是通过底物分子富电子杂原子对UDP 一葡糖醛酸的 亲核攻击生成的，攻击方向恰恰是指向联键的反向。
尿苷二磷酸葡糖醛酸转移酶定位在内质网上，酶的活性中心面向内质网内腔，在蛋白 质合成过程中，N 末端一段疏水的信号肽指引分子定向，这段肽在翻译后加工过程中被切 除，成熟蛋白肽链C 末端膜内张力域(domain)使酶“锚定”在内质网结构上。这样的定向 便于由细胞色素P 一450或其他内质网定位的I 相代谢酶催化形成代谢中间物的进一步 葡糖醛酸化；但另一方面也给反应辅助因子UDP 一葡糖醛酸的供应造成问题，后者在细
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胞质里合成，通过一个穿梭输送机制送人内腔，反应副产品UDP 则被送回细胞质以供重
新合成UDP 一葡糖醛酸。这一穿梭过程是整个葡糖醛酸化反应的“瓶颈口”，决定了反应 的总速率。
编码UGT 的所有基因可分为两大家族：UGTl 和UGT2"J 。UGT2又可进一步分
为UGT2A 和UGT28两个亚家族。UGT28亚家族包括了目前已发现的大多数UGT
基因，它们的编码产物主要和甾体代谢有关；UGT2A 亚家族目前只发现一个成员基因，
在鼻黏膜中高度表达，具有底物广谱性。UGTl 家族的情况非常有趣，整个家族只有一
个基因，却编码了lo 种蛋白质。基因编码序列包括5个外显子。外显子l 上不同的转录 起始点造成由一个基因产生众多的初级转录产物，通过对初级转录产物的剪接，形成一批 不同的mRNA ，所有这些mRNA 只有从外显子l 来的序列有区别，从外显子2至外显子
5来的序列完全一致。从外显子1来的不同序列决定了酶分子N 末端的底物结合域的构
成，由此造成同工酶之间底物专一性的差异。它们的底物谱总合起来涵盖了从内源的胆
红素到吗啡一直到苯并芘在内的许多化合物。
三、N 一乙酰化
N一乙酰基转移酶(N．acetylase ，NAT ，EC 2．3．1．5) 催化的N 一乙酰基化是众多芳 香胺和酰肼类物质主要的代谢转化途径之一。反应要求辅因子乙酰辅酶A(乙酰基一
CoA ，图4—3) 的参与，整个反应是一个两步过程，首先乙酰基一CoA 转移到酶活性中心 的半胱氨酸的巯基上，释放出CoA ，然后乙酰基从被乙酰化的酶分子转移到底物分子上， 酶分子得到再生。
图4—3乙酰辅酶A(乙酰一CoA) 结构
人NAT 是一种细胞质酶。人NAT 基因包括两个功能基因NATl 和NAT2以及一
个假基因NATP ，三个基因都位于染色体8p ter—qll 区段[8|。NATP 由于基因内含有多
个终止密码，因而是不能表达的假基因。不同寻常的是NATl 和NAT2的编码区都是连
续的，不存在内含子。两者编码区都长870bp ，编码270个氨基酸序列。两者高度同源， 其同源性在DNA 水平上表现为87％，在蛋白质水平上为81％。活性中心都在肽链的N 末端，半胱氨酸是活性中心的关键部分。虽然两个基因在DNA 链上呈上下游排列，相互 仅隔25kb ，但这两个基因的转录和翻译是各自独立调控的。两者表达的组织特异性不 同，NATl 在人体许多组织中都有表达，而NAT2主要在肝脏和肠中表达。两者的底物
谱互相覆盖，但是各自又有其不同的最适底物。NATl 的最适底物包括4一氨基苯甲酸、
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4一氨基水杨酸；NAT2能催化范围广泛的药物代谢，例如咖啡因、异烟肼、磺胺二甲嘧
啶、普鲁卡因酰胺等。两个同工酶都参与催化芳香胺的代谢，如联苯胺、4一氨基联苯、 2一萘胺。一般说，脂肪族伯胺不可能是N 一乙酰基化作用的良好底物，谷胱甘肽S 一转 移酶催化产物谷胱甘肽结合产物被相继切去谷氨酸和甘氨酸，残余的半胱氨酰结合物在
形成硫醚氨酸衍生物过程中的N 一乙酰化作用可能是一个特例。由于N 一乙酰化反应
产物的亲水性反而比母体化合物要低，它的生物学功能可能首先是造成生物碱类活性物
质体内失活。芳香族胺的N 一乙酰化是一个减毒代谢，芳香胺的N 一乙酰化减毒代谢和
通过N 一氧化增毒代谢处于竞争的状态，然而即使N 一氧化代谢先进行一步，产生的羟
胺仍有可能是乙酰化减毒代谢的良好底物。代谢的最终结果取决于乙酰化和氧化代谢相
对速率的快慢。
四、硫酸盐化
磺基转移酶(sulfotransferases，SULT ，EC 2．8．3) 负责催化磺酸基由共底物3ˊ一磷酸 腺苷5’一磷硫酸(PAPS，图4—4) 向底物亲核中心的转移。SULT 的底物谱基本上同尿
苷二磷酸葡糖醛酸转移酶相同，SULT 不能以羧酸为底物，一些羧酸，如苯甲酸、萘甲酸、 萘乙酸、水杨酸反而是SULT 的竞争性抑制剂。五氯酚和6一二氯一4一硝基酚也可抑制 磺基转移酶的活性，是因为它们可与酶活性中心结合，由于在芳香环邻位和对位上有吸电 子取代基底物，不能被催化转化。酚类和脂肪醇是SULT 的两个主要底物类群，此外
SULT 还能催化某些芳香胺，如苯胺以及2一氨基萘形成相应的氨基磺酸盐。有许多外
源化学物质在经过工相代谢反应后，羟基被引入或得以暴露，可被UGT 催化，而不能被
SULT 所催化。反应磺酸基供体PAPs 是由无机硫酸盐和ATP 通过一个两阶段的反应
过程合成的：首先ATP 硫酸盐化酶催化形成腺苷一5ˊ一磷硫酸(adenosine一5ˊ-phosphosul — fate ，APS) 和焦磷酸，然后在APS 激酶催化下，磷酸基由ATP 转向APS 的3ˊ位。合成
PAPS 所需的硫酸盐大多数来自体内半胱氨酸的氧化过程，由于体内游离态半胱氨酸的
浓度不高，因此体内PAPS 的生理浓度很低(大约在75μmol ／L 水平) ，远低于α—D 一尿苷
二磷酸葡糖醛酸(UDP glucuronic acid)(约350μmol ／L) 和谷胱甘肽(约为l0 000／μmol ／L) 的水平。SULT 的Km 和Vmax 值都比UGT 要低，说明SULT 对底物的亲和性强，但转换
能力有限，因此底物在当体内浓度较低时偏向于被硫酸盐化(sulfurization)，浓度增加时， 则倾向于被葡糖醛酸化。
图4—4 3ˊ磷酸腺苷5ˊ磷硫酸(PAPS)结构
p82
SULT在体内遗传毒性物质代谢过程中可能主要催化体内低浓度物质的结合，由于
硫酸盐化增加了其亲水性，可以促进毒物的减毒和加快排除过程。但是SULT 也可能参
加某些前致癌剂的体内代谢活化，例如由于CYPlA2催化的芳香胺羟基化形成的芳香族
羟胺可为SULT 进一步催化形成的芳香族N 、O 一磺酸酯很容易进一步分解产生具有遗
传毒性的氮烯离子。
SULT是一个细胞质酶。以前的分类系统很不统一，有人将其分为5大类，分别为芳
香族磺基转移酶、醇磺基转移酶、雌激素磺基转移酶(也有人称羟基甾醇磺基转移酶) 、酪
氨酸酯磺基转移酶以及胆酸盐磺基转移酶，五大类中各自又分若干小类。在近年来基因
序列测定的基础上，目前所有的SULT 基因被分别归入三个基因家族：家族l ，包括以前
所称的芳香族磺基转移酶基因；家族2，编码以前所谓的羟基甾醇磺基转移酶；家族3，目
前只知道一个成员，其基因产物催化脂肪族胺的硫酸盐化。
五、甲 基 化
甲基化反应(methylation reaction)就其代谢重要性而言，远比不上前面讲过的其他Ⅱ
相代谢途径。在大多数情况下，甲基化的结果是降低了化合物的水溶性，而且还会将本来
有可能为其他酶催化结合减毒的一些重要功能团甲基化封闭。尼古丁等吡啶类化合物的
N 一甲基化是一个明显的例外，这时甲基化产物水溶性增加，促进了毒物从体内排出。
甲基化反应通常由甲基化酶(methyl transferase，MT ，EC 2．1．1) 催化，要求S 一腺苷
甲硫氨酸(SAM，图4—5) 作为甲基供体。甲基化是通过底物分子富电子的杂原子(0、N 、
S) 亲核攻击实现的，因此和甲基化有关的化合物包括酚、邻苯二酚、脂肪胺、芳香胺、含N
杂环、以及巯基化合物等。金属也可能被甲基化，无机汞和无机砷可被二甲基化，而无机
硒可被三甲基化。
图4—5 s一腺苷甲硫氨酸(SAM)结构
第四节代谢基因多态性
外源化学物质体内代谢能力的多态性直接影响到遗传毒性物质对不同生物体可能造
成的危害风险差异(表4—4) ，造成这种代谢能力差异的原因很多，在临床实践和实验动
物研究中很早就注意到食品、个体年龄和性别可能影响到上述差别，例如在大鼠中有性别
专一P 一450同工酶亚家族CYP2A 、CYP2C 、CYP3C ；在人类中虽然没有类似的报道，但
p83
是不同性别在基因表达效率方面的差异现象很普遍。
表4-4外源化学物代谢有关基因多态性和健康危害易感性
导致代谢能力个体差异最主要的原因是由于编码基因多态性造成代谢酶的多态性，
近年来，越来越多的外源化学物质代谢酶基因被证明存在一种以上等位基因形态。在基
因组内，不同位点DNA 序列发生变化是十分普遍的现象，我们所谓的基因多态性的定义
是：在所研究的群体中出现频率大于1%的多种等位基因形态。有两种或两种以上多态
形态的基因为多态( polymorphic)基因，反之则称单态(monomorphic)基因。表4-5列出
的是目前已经证明及有待证明的多态性外源化学物代谢酶基因。
表4-5多态性外源物质代谢酶基因
p84
一、细胞色素P- 450基因超家族多态性[10]
1．CYPIA1
该基因主要在肝外组织中表达，催化具有平面结构的多环芳香烃类(PAH)氧化生成
酚类和环氧化物，底物也包括一些小分子物质。它的活性可由二噁英、苯并芘、三甲基胆
蒽等所诱导。PAH 是一类重要的化学致癌物，进入人体后，经过CYPIA1活化，形成有致
癌活性的物质。人CYPIA1基因在15号染色体上，整个基因有6311个碱基对，包括7
个外显子，其中，第一个外显子并不编码。在C YPIA1中，目前已发现了8种等位基因
（表4-6）：
表4 -6 CYPIA1基因多态性
目前研究主要集中在CYPIA1*2A和CYPIAl* 2B上。研究表明，CYPIAl+ 2A
基因的mRNA 水平的表达同野生型没有差异，而CYPIA1*2B等位基因，无论在纯合型
还是在杂合型中，其mRNA 水平的表达均高于野生型。CYPIAl+ 2A和CYPIAl' 2B
纯合型可产生高诱导活性的CYPIA1酶，使致肺癌的多环芳烃类化合物活化速率加快，
使携带者成为肺癌的易患个体。但这两种基因型比较罕见，给研究带来了一定的困难。
CYPIA1基因的多态性还同膀胱癌、乳腺癌、结肠癌、子宫肌瘤等的易感性有关。
2．C YP2D6
C YP2D6的遗传多态性在早期又称为硫酸异喹胍／金雀花碱多态性。CYP2D6参与
大量医疗用药的代谢。人C YP2D6基因在22号染色体上，包括9个外显子，共4378个
碱基对。C YP2D6具有较多的基因多态形态，目前已正式报道的就有69种之多，包括单
个或数个碱基的替换以及大片段缺失引起的读码框架移位、翻译产物剪切错误，造成酶活
性的变化或消失，表现型多态形态要比基因型稍微简单一点，共发现有26种突变蛋白。
根据对硫酸异喹胍代谢率表现型，可将人群划分为三类：高代谢型、低代谢型、极高代
谢型。低代谢型的分布在不同的人群中变化很大，在欧洲人和白种美洲人中，约为
7.5%，而在中国人、日本人和美洲黑人中，仅为0～2%。在高加索人及美洲白人中，同低
代谢型有关的等位基因主要是CYP2D6*3、CYP2D6*4和CYP2D6*5。这几个等位基
p85
因在中国人中分布相当少，而属于CYP2D6*10的三个等位基因较为普遍，尽管没有被
列为低代谢型，这些等位基因编码的酶活性仍然偏低。有人研究发现，这是由于
CYP2D6。10等位基因在第188位有一突变，引起酶蛋白P34 S突变造成的。
CYP2D6。2XN 基因携带个体为极高代谢型，该等位基因是由基因扩增形成多拷贝造成
的。由于CYP2D6的突变等位基因大多表现为酶活性的降低或消失，减少了有害活性代
谢物的产生，所以携带纯合野生型基因个体对肝癌等疾病有更高的风险。低代谢型个体
则由于不能代谢某些药物而会产生一些副作用，与肿瘤高发风险有关的基因型主要是高
代谢型。高代谢型同膀胱癌、肺癌以及消化道肿瘤的易感性有关。低代谢型同帕金森氏
病易感性可能有关。
3．CYP2E1
CYP2E1与一些低分子质量有机物的代谢有关，包括苯、乙醇、氯乙烯、亚硝胺等，小
分子的亲脂性化合物是CYP2E1最佳底物。CYP2E1可同时催化许多底物氧化反应和还
原反应。有一些底物是前致癌物，经催化后形成终致癌物。乙醇可以诱导CYP2E1基因
的表达。CYP2E1基因位于人10号染色体上，包括9个外显子，共ll 413个碱基对。
目前已经发现CYP2E1基因多态形态有7种，对5ˊ端上游序列中的Pst I／Rsa I
多态性(CYP2E158、Gl293 C及Cl053 T)和内含子6中的Dra 工多态性(CYP2E16，
T7632A) 研究较多。Pst I／Rsa I多态形态改变了该基因的转录活性，转录活性有很大提
高，可能Pst I／Rsa I位点同某个转录因子结合有关。有报道说，Pst I／Rsa I多态性
多态形态杂合子个体患酒精性肝病危险性比野生型高。Dra I多态性对酶的结构没有
影响，它只能影响酶的表达。有研究表明CYP2E1野生型基因型携带个体患食管癌风险
比Dra 工多态性等位基因携带个体高5倍。
4．CYP2A6
CYP2A6参与一些重要致癌物的代谢，如黄曲霉素81、N 一亚硝基二甲胺、NNK 等，
也催化香豆素的羟化以及尼古丁形成可替宁的反应。CYP2A6基因位于人19号染色
体。目前已发现9个多态形态，一个是CYP2A6‘2，外显子3有一个碱基突变(T479A)，
氨基酸水平上表现为Ll60H ，导致酶活性的显著降低；另一个是CYP2A6*3，其外显子3、
6、8里面包含了CYP2A7P 假基因的一份，形成一个编码无活性产物的杂交基因。在日
本人群中，这两种等位基因分别占20％和28％。其他一些突变等位基因大都不能产生有
酶活性的基因产物。
5．CYP2C9和CYP2C19
目前，CYP2C9和CYP2C19的多态性日益受到重视，它们都参与催化许多重要的治
疗用药的代谢。CYP2C9基因位于人10号染色体上，已证实有两个主要的突变等位基
因：CYP2C9*2(c430T，Rl44C) 和CYP2C9*3(A1075C，I359L) ，它们所编码的酶活性降低。
它们在中国人群中的检出频率很低。
CYP2C19也位于人l0号染色体，迄今已发现CYP2C19突变等位基因产物有10
种，除CYP2C19。1B(c99T及A991G 、I331V) 由于l —V ，酶活性基本不受影响外，其他或是
p86
由于剪接错误，或是在编码序列中出现终止密码，因此都不能产生有酶活性的蛋白质。
CYP2C19低代谢型人群频率表现出较大的人种差异，在东方人群中，其比率达到10％～
20％，而在欧美人群中，只有几个百分点。
6．其他细胞色素P 一450
CYPIBl已有19种突变等位基因报道，突变蛋白ll 种；CYP2A6的突变等位基因已
发现有8种，变异蛋白有4种；CYP3A4发现有3种突变等位基因；CYP3A5有1种。
7．芳香烃受体
芳香烃受体并不是一个具有催化活力的蛋白质，它是信号转导系统(。ignal transduc—
tion system)的一个受体蛋白，由于它的基因多态性影响到外源物质代谢酶基因，尤其是 **
CYPlAl 的表达，因此放在这里一并讨论。
芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor，Ahr) ，文献中也有称二口恶英受体(dioxin receptor) 的。该受体是一种配体激活转录因子(LTF)，同类固醇和甲状腺激素受体有一些相似。Ahr
的配体包括二Ⅱ恶英等许多环境化合物，配体跟Ahr 结合，引起Ahr 构象变化，Ahr 一配体复合 物进入细胞核，和Ahr 核易位蛋白(Ah receptor nuclear translocator，ARNT) 以及其他一些因子 结合，形成一个转录激活复合物，结合在CYPIAl 基因的增强子序列XRE 上，使该基因转录
活性增强。所以，Ahr 多态性可能影响CYPlAl 的表达。值得一提的是，Ahr 不仅参与
CYPIAl 的诱导，还与其他酶基因诱导有关，如CYPIA2、CYPIBl ，以及一些谷胱甘肽
[11]S 一转移酶基因和尿苷二磷酸一葡糖醛酸转移酶基因等。
人Ahr 蛋白分子质量为96kDa 。在肝脏、肺部、肾脏、胎盘、扁桃体、8淋巴细胞，以及
卵巢癌和乳腺癌细胞中均有发现。Ahr 基因位于人染色体7p21位点，由ll 个外显子和
10个内含子组成，cDNA 序列已有报道。
1998年有人报道在人Ahr 基因外显子10内发现两处多态性，G l721A(R554 K) 和
G1768A(V570I)，均位于蛋白质转录激活区。前者在高加索人的发生率为0．12，在日本人中为
0．43。实验表明，带有该突变基因的个体，与CYPIAl 有关的7一乙氧基一异吩口恶唑酮一脱
乙基酶(EROD)活性高于野生型基因携带个体，可能影响人群对某些疾病易感性。
二、谷胱甘肽S 一转移酶(GST)基因超家族多态性
1．谷胱甘肽S 一转移酶Tl 及Ml 基因多态性
细胞质GST 家族中，GSTMl 和GSTTl 多态性认定较早，多态形态包括基因缺损，
以及由于GSTMl 基因碱基置换(G534 C)造成氨基酸序列Kl73 N改变，形成变异体
(GSTMIA和GSTMlB ，旧命名法分别为GST μ和GST ) ；新近在西亚人群中发现了
GSTMl 基因多重拷贝的多态形态。
GSTTl基因型多态性状况在不同人种集团和地域居民人群间表现出很大差异[1 2|。
我们的工作发现上海市区正常人群GSTTl 纯合缺损率49．3％，远远高于高加索人种
(22％～l0％，平均l7％左右) 和美国黑人的水平(24％) ，与华裔新加坡人群报道值
(58．3％) 也有显著差异。我们认为华人人群作为地球上最大的种族集团，内部各亚人群
P87
之间在基因水平上的遗传差异必须引起注意。GSTMl 基因多态性人群频率在高加索人
群和东亚人群之间差异不大。
在GSTMl 纯合缺失基因型携带者肺部组织中发现比正常基因型成员高得多的
DNA 一多环芳烃(PAH)加合水平，同时也发现GSTMl 基因纯合缺失者体内有较高水平
的黄曲霉毒素81一白蛋白加合物。在GSTMl 基因纯合缺失的严重抽烟者淋巴细胞中，
发现姐妹染色单体互换率(SCE)上升。严重抽烟肺癌病人肿瘤组织中与PAH 有关的
P53基因的G —C 突变率也上升。虽然已经有不少工作证明GSTMlA 和GSTMlB 基因
产物在酶活性和其他酶学参数上没有多大差别。但是有报道说GSTMIA 基因形态和
GSTM3外显子6中3对碱基缺失突变出现有联系，从而和肺癌的易感性相关。
GSTTl基因缺失与否和小分子卤代烃以及活性环氧化物，如溴甲烷、氯甲烷、环氧
乙烷、1，2一二溴乙烷，二氯乙烷等在人红细胞中的结合率有关，就此可将不同的个体分为
“结合者”以及“不结合者”，根据氯甲烷在人红细胞中的结合率可以进一步将实验对象分
为三个组：即除前述两类外，还有一个介于两者之间的中间型，正好和GSTTl 的三种基
因剂量状态对应，即纯合缺失，一份基因也没有(0／0基因型) ；杂合缺失，有一份基因(0／1
基因型) ；不缺失者，有双份基因(1／1基因型) 。GSTTl 基因缺失者淋巴细胞中SCE 的
背景值也较高，这种背景水平可能是由于人体内源产生的乙烯和环氧乙烷所造成的。另
外GSTTl 酶也参与l ，2一二溴乙烷的生物活化，GSTTl 的较高基因剂量与l ，2一二溴
乙烷所诱发的较高基因突变率有关。
2．谷胱甘肽ls 一转移酶Pl 基因多态性
GSTPl基因长约3kb ，包括6个内含子和7个外显子，位于染色体llql3，编码长210
个氨基酸的酶蛋白，同时在12q13—14区发现一个可能是由反转录插入的相关假基因。
目前已发现hGSTPl 基因l05位和114位氨基酸密码子具有多态性，第l05位氨基酸
驴G 的改变，产生了Il05V 变异体，而第ll4位氨基酸密码子C —T 的改变导致了All4v
变异体的产生。105位处于疏水底物结合位点，构成该区域的8个氨基酸除第l05位，其
他7个氨基酸均十分保守，说明此位点对酶的生物功能很重要。l05位氨基酸体积大小
和疏水性的改变可影响酶的热稳定性，变异体的热稳定性比野生型低2～3倍，影响细胞
的解毒性能，这可能部分解释了GSTPl 一Vall05／Vall05纯合子和肿瘤易感性升高之间的
关系。第ll4位氨基酸位于疏水底物结合位点之外，GSTPl 一Valll4的酶活性较之野生型
并无明显差异。GSTPl 在人肺，肾和前列腺中表达，在肝中不表达或表达水平极低。
GSTPl —1在肿瘤细胞中的表达水平较正常组织中高，可能与人类肿瘤对抗癌药物耐受
性提高有关。不同种族群体间两个基因座的基因频率有显著差异。Harris 等对GSTPl
的两个多态性位点在土著澳大利亚人、欧裔澳大利亚人、印度人以及华人中的分布研究表
明：这两个位点频率在澳大利亚土著人和华人间相互很接近，欧洲人和印度人相互也很接
近，但两大组之间有显著差异。我们的工作表明，中国人群内部不同地域居民群体间(上
海、北京和台湾)1105V 位点多态性态的人群频率相当均一，与欧裔美国人、欧裔澳大利亚
人以及非洲裔美国人都有显著差异。由于GSTPl 基因遗传多态性的发现较GSTTl 和
GSTMl 的晚，有关其多态性与癌易感性关系的工作还不多，已有报道认为突变型基因与
膀胱癌以及睾丸癌的高发有关联。
p88
三、N 一乙酰基转移酶(NAT)基因家族多态性
由NAT 催化的异烟肼乙酰化代谢是科学上最早确定的具有人群多态性特征的药物
代谢过程。1952年Bonicke 等发现，在接受异烟肼治疗的肺结核病人群体中外周神经副
作用症状与病人异烟肼母体化合物血清浓度直接有关，l957年人们发现根据异烟肼体内
清除速度可将人群分为两大类：快速乙酰化者和慢速乙酰化者，在以后的双生子以及家系
研究证明了上述分类的遗传学基础。有关的人群多态性现象在文献中曾被称为“异烟肼
乙酰化多态性”，-NiAN ，这是外源化学物质体内代谢多态性系统研究的开端。
在早期，人们曾将乙酰化反应的常见底物分为两大类：一类为“多态性(polymorphism)”
底物，包括异烟肼、磺胺二甲嘧啶、普鲁卡因酰胺、咖啡因，其体内清除过程与所谓的乙酰化
“快型”或“慢型”有联系，可用于个体乙酰化能力的鉴定试验；另一类为“单态性”底物，例如 对氨基苯甲酸和对氨基水杨酸，其乙酰化代谢过程与个体的乙酰化速率快慢无关，后来知道
所谓“多态性”底物主要为NAT2所催化，而“单态性’’底物主要由NATl 催化。地球上不同
的人种集团以及不同地域的居民人群间人群乙酰化表型多态性的频率有显著差异，美国人
种有50％是“慢型乙酰化者”，日本人群中只有5％～l0％，地中海沿岸人群(如埃及人) 则高
达90％，多年来我国学者对国内各地人群乙酰化多态性状况(主要在表现型水平上) 做过许
多调查工作，有报道说中国汉族人群中“慢性乙酰化者’’比率为19．9±4．0％(15．8％～
25·5％) ，17个主要少数民族中为20．6±12．9％(3．2％～50．6％) 。
文献中较早就将NAT2列为“多态性”，而NATl 一直被认为是“单态性”的。直到
1993年人们才开始注意到NATl 也可能具有多态性，目前可以确定NATl 基因有5种 [13]
图4—6 NATl基因的等位基因形态
p89
等位基因，包括一种野生形态NATl*4和5种突变型NATl*3、NATl*5、NATl*10、
NATl*11、NATl*17（图4-6)[14].
由于NAT1在结肠与膀胱等组织中的高表达，在与吸烟及芳香族胺类物质接触有关
的环境健康和职业医学研究中，必须对NAT1基因多态性的影响予以充分注意。1995年
Bell 报道了基因3’非编码区多聚腺苷酸信号区的多态性（现命名为NAT1*10）。并发现
NATl* 10等位基因型态携带者结肠和膀胱中NAT1酶对氨基苯甲酸的活性比野生型
的NATl*4要高两倍，有可能由于poly A信号的改变使得其mRNA 的稳定性较野生型
NAT1*4基因产物大大提高。英国一个202人的结肠癌患者（对照人群112人）群体中
发现NAT* 10基因型携带者结肠癌风险显著增加(R01)=1.9)。而NAT2快型有关的
基因型不是一个显著风险因子，他们同时又发现在NAI2快型基因型携带者中，NAT1”
10的风险程度更明显(Ro=2.8)，这提示NAT1和NAT2间可能存在基因一基因相互
关系。
NAT2基因变异等位基因的产生同样也是由于基因序列内几个“热点位点”核苷酸
变换，结果分别导致转录水平下降，翻译效率降低以及酶蛋白稳定性下降等。NAT2基
因序列内目前已经发现有9个突变位点（其中两个出
现频率很低）（表4-7）。这些突变位点的不同组合形
成了NAI2基因14个不同的突变等位基因(图
4 - 7)[14]。可以预见，新的等位基因形态还会不断报
道。在目前已肯定的等位基因形态中，有一些人群频
率实在很低，仅前8种等位基因就代表了人群中95%
以上个体。
表4-7 NAT2基因序列最常见的7个突变位点
主要在欧美地区高加索人群中进行的流行病学
研究结果表明：快代谢能力NAT2等位基因携带者患
结肠癌的风险大于慢代谢能力NAI2等位基因携带
者；膀胱癌的情况则正好相反。造成以上情况的原因
可能在于芳香胺和杂环胺在不同乙酰化能力个体体
内代谢倾向上的不同。慢性乙酰化代谢者由于NAT
p90
和CYP 之间的竞争比快性者在肝脏内产生更多的N 一羟基芳香胺中间代谢物，这些代
谢中间物可能以非结合状态或葡糖醛酸接合物的形式被输送到膀胱里，在膀胱里形成氮
烯离子，然后和DNA 共价结合生成加合物，这可以解释为什么慢代谢能力NAT2等位基
因携带者对膀胱癌高风险；对结肠癌来说，情况就不同了，导致结肠癌的主要化合物是杂
环胺，它本身对肝脏内NAT 而言不是一个非常合适的底物，但它又是CYP 的底物，后者
催化产物N 一羟基衍生物被转移到结肠后，再被NAT 催化形成。一乙酰化的致癌剂，因
此造成快代谢能力NAT 等位基因携带者结肠癌罹病的风险较高。Cartwright 等和
Hanssen 等相继报道欧美人群中膀胱癌患者中N 一乙酰化慢型者比率较高，Hayes 等利用
从我国天津、上海等地收集的人群材料在美国进行的分析工作中发现，中国联苯胺接触人
群中，NAT2慢型基因型和表现型与膀胱癌风险都没有关联，这一结果引起了各方面广泛
的兴趣。
有报道说胎盘中NATl 与NAT2间存在连锁不平衡(1inkage disequilibrium)，
**NATl 10如与NAT24基因型同时出现的频率比期望值要高3．5倍。
第五节 外源物质与基因以及基因与基因的相互关系
一、外源物质与基因的相互关系
包括遗传毒物在内的外源化合物和代谢酶基因的相互关系不仅在于代谢酶基因产物
能催化外源化合物的代谢，同时外源化合物和一些内源物质也参与代谢酶基因的表达以
及对基因产物活力的调制(modulation)。调制作用基本上有以下4种机制：
1．基因表达的诱导(induction of gene expression)
基因表达的诱导是4种机制中研究最多的一种。底物诱导作用的存在可以保证生物
体以“要时才生产”这一最经济有效的方式来满足应付复杂的化学外环境以及内环境的需
要。诱导过程往往并不仅限于提高一种酶基因的表达效率，而是一组酶的基因表达效率
提高。从生物化学的严格意义上来说，诱导作用的定义应该限定于“通过加强核内转录过
程的速率”，但在毒理学实践上被赋予了更广泛的内涵，一切最终导致靶组织中酶蛋白量
增加的过程，包括提高酶蛋白和mRNA 在细胞内的稳定性在内的作用过程都被归入诱导
的内容。
苯巴比妥和3一甲基胆蒽是两个最经典的诱导剂，它们对代谢酶基因的选择性诱导
在代谢酶家族同工酶的研究中起过重要的作用。现在已知有许多环境化学物质的诱导机
制分别与苯巴比妥和3一甲基胆蒽类同，可依据上述两个化合物为原型归为两大组，归入
苯巴比妥组的物质都是疏水物质，包括许多药物和农药，诱导谱主要为CYP28、2C 、3A
亚家族成员基因，某些GST 和UGT 基因以及mEH 和CYP450氧化还原酶基因；归入
3一甲基胆蒽组的多是一些平面型的疏水物质，包括2，3，7，8一TCDD 、苯并芘、3，3ˊ，4， 4ˊ-四氯联苯等，诱导谱主要涵盖CYPl 家族的CYPIAl 、1A2、181以及GSTAl 、
UGTl *06基因。其他一些应用较广泛的诱导剂包括：①合成甾体类化合物；②有机溶剂
乙醇和丙酮；③某些抗氧化剂，如丁基化羟基甲苯。
p91
大多数诱导过程发生在肝脏里，但也不尽然，在肾脏、肠道、皮肤等器官中也可能发
生。诱导过程是经常讲的药物一药物，食物一药物，环境物质一药物，体内内分泌系统一
药物等一系列外源和内源化学物质相互关系的重要基础之一。
2．基因表达的阻遏(repression of gene expression)
基因表达的阻遏和上述的诱导过程正好相反，造成对有关代谢酶基因表达的关闭
(turn off)或速率下调(turn down)。阻遏作用受到的研究关注远不如诱导作用。在体内
白介素113、白介素6和干扰素可以显著下调一些CYP 超家族基因的表达，这就是为什么
炎症可能影响对外源化学物的代谢能力，甚至导致整个代谢局面改变的机制之一。有时
候同一化学物质在诱导一组基因表达的同时，也阻遏了另一组基因的表达。
3．酶活性的抑制(inhibition of en’zyme activities)
酶活性的抑制可能通过两种不同的机制实现：一种是抑制剂分子和酶蛋白的直接结
合，这可能只会对某一同工酶活性造成影响；N 一种是NNN 性表现必需的辅助因子的剥
夺，这可能影响到整整一类酶的活性。
4．酶活性的激活(activation of enzyme activities)
在遗传毒性物质体内代谢过程研究中，甚至扩展到整个外源化学物质体内代谢酶的
研究中，遗传毒物对代谢酶激活作用的报道目前还不多。
二、外源物质代谢酶之间的相互关系
在上面的叙述中，为了说明问题方便，我们采用了每一个酶分开介绍的方法来说明它
们在遗传毒物代谢过程中的作用，叙述每一种等位基因形态对代谢能力的可能影响，实际
上任何外源物质的体内代谢都是一个多步骤、多方位过程，每个化合物的代谢都要求多种
酶的参与。有关的代谢酶之间存在错综复杂的相互关系，大致可归为以下几种类型：
1)高度有序的“流水作业”型关系。例如进入体内的苯并芘首先被CYP 酶催化氧化
为7，8一环氧化苯并芘，mEH 酶水解生成7，8一二羟基苯并芘，后者在CYP 酶的进一步
催化下，生成具有极高致突变能力的7，8一二羟基9，10一环氧苯并芘，这个产物最后可在
GST 酶作用下结合减毒。相似的情况也可能发生在黄曲霉毒素BI(AFBl)的体内代谢过
程中，但是对AFBl 来说，情况可能要复杂一些，在同属CYP 基因超家族不同基因产物的
催化下，可以有几种不同的氧化产物，而只有一种产物(AFBl一外一8，9一环氧化物) 具有
致癌性。
2)“武林高手，狭路相逢”式的竞争关系，不同的代谢酶在同一作用点上直接竞争同
一底物。例如NAT 酶和CYP 酶竞争芳香胺或杂环胺的代谢，在这种情况下，还意味着结
果是代谢活化还是代谢减毒的竞争。
3)以“楼上楼下，各自过日子”的形式在不同层面上参与由同一化合物出发的代谢，
反应各不相同，针对的底物也各不相同。例如NAT 酶和GST 酶都参与芳香族胺和杂环
胺的减毒代谢反应，NAT 酶以母体化合物为底物进行乙酰基结合反应，而GST 酶则以代
p92
谢中间产物为底物进行谷胱甘肽结合反应。
4)以“兄弟姐妹，同心协力”的形式，属于同一基因家族或超家族成员基因产物的多
种同工酶参与同一化合物或同一中间代谢物的代谢。
由于以上原因，在有关代谢酶基因多态性和有害健康危害风险工作中，必须进行综合
研究，尽可能将与代谢全过程有关的所有基因多态性一起进行分析，因此研究所需对象人
群的规模也就大大增加了，特别是与有几个人群频率较低的等位基因同时有关时，为了保
证研究结果有足够的统计显著性，目标人群将会非常之大。
参 考 文 献
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(沈建华)
p71
第四章遗传毒物在体内的代谢转化
第一节几个基本概念
包括环境遗传毒物在内的外源化学物的体内代谢转化过程，对于毒理作用的表现十
分重要。遗传毒物的代谢转化取决于许多因素，首先是不同物种在代谢途径和代谢能力
方面的种属差异，对这个问题的了解将极大地影响我们将动物实验数据向人类作出的合
理外推；其次，个体的年龄、性别、营养和健康状况等方面的不同，也会影响到代谢能力差 异；特别重要的是不同个体遗传背景方面的差异，不同人种集团(group)或不同地域居民
群体问，甚至同一群体内不同个体间与代谢有关基因多态性结构或频率分布特征的差异， 都将会导致不同个体经历同一毒物同一剂量水平暴露后生理反应的明显差异[1]。
1．生物转化(biotransformation)
环境物质，包括众多遗传毒物，通过消化道、呼吸道和皮肤等途径进入机体后，在体内 不同酶系的催化下会发生一系列生物化学反应，使得物质化学结构发生变化，这个过程称 为生物转化，也有称为代谢转化的。参与催化外源物质生物转化的酶称为外源物质代谢
酶。由于生物体面临的化学外环境千变万化，在质的构成和量的水平上都处于动态变化
中，特别是相当一部分环境化学物是原先自然界所没有的，主要是从西方工业革命开始以 来的几百年内，尤其是进入20世纪以后，作为人类活动的结果才引入地球环境的。适应
于这样的外环境条件，生物体外源物质代谢酶有以下几个鲜明特点：①一般都具有较广
的底物谱，底物专一性一般不是非常严格，可以催化结构相关甚至并不相关的许多化合物 的同一种或同一类代谢反应。②NN 基N--般都构成家族或超家族，家族内不同成员编
码的产物(同工酶) ，各有其最适底物谱，其底物谱之间又互相覆盖。③除了个别基因在
体内是以“构成形”稳定表达外，不少是受诱导后才表达的，即遵循“需要才生产”的“经济 原则”。
2．代谢减毒(metabolic detoxification)
人体每天通过食物、饮水、呼吸或皮肤接触吸收的环境有害物质，包括各种遗传毒物， 主要通过尿液和胆汁两大途径排出体外，上述两大排出途径都要求被排除物质具有一定
水溶性，实际上除了少数环境遗传毒物本身具有较大极性外，绝大多数是高脂溶性，必须 通过代谢反应改变分子结构以便增加极性。一般说来，为了达到有效的减毒，代谢过程往 往具备(或部分具备) 以下特征：①代谢产物必须有足够的水溶性。②代谢产物对机体
有害效应较弱，不至于造成严重的毒理作用。③有关的酶系必须具有较广的底物谱。并
非所有的代谢过程都能导致外源物质毒性的减弱或消除，在有些情况下，代谢过程恰恰使 代谢物的毒性比母体化学物更高，或表现新的毒理效应。
p72
3．生物活化( bioactivation)
生物活化又称代谢活化( metabolic activation)遗传毒性物质或其代谢中间物分子的 亲电子中心和遗传物质DNA 链上的亲核中心产生共价结合是启动(initiation)化学致癌
作用的关键事件，在癌的促进( promotion)和进展(progression)中也起到一定的作用。大 量的化学致癌物在环境中是以“前致癌剂”的形式存在的，必须通过体内代谢，转化为亲电 子的“最终致癌剂”( ultimate carcinogen)才得以表现致癌活性。
4．代谢基本过程
遗传毒性物质在体内的代谢过程基本上可分为两大阶段，即所谓的工相反应和Ⅱ相
反应过程（表4 -1）。外源化学物质的体内代谢通常是通过环环相扣的一系列步骤完成
的。通过和某些内源性物质，如还原型谷胱甘肽、葡糖醛酸等的结合来增加水溶性，结合
作用要求化合物分子上具有适当的功能基团，这些功能基团必须通过专门的代谢步骤引
入或予以暴露，这个功能基团化的过程通常就称之为工相反应，随之的结合反应则称之为 Ⅱ相反应。根据所引入或予以暴露的功能基团的性质，这些基团又可分为亲电子的和亲
核的两大类，环氧桥（环氧化基团）和a ，β一不饱和羰基是典型的带亲电子碳原子的结构； 醇羟基和酚羟基，氨基和巯基以及羧基是重要的亲核基团。亲电子基团由于容易和富电
子对象，如脱氧核糖核酸、核糖核酸以及蛋白质等生物大分子结合，导致致突变性和细胞 毒性，一般说来，亲核物质不与体内生物大分子共价结合，对生物体危害效应一般也比较 小。Ⅱ相结合反应通常终止了亲电子物质和DNA 以及蛋白质共价结合或与受体结合的
能力，同时提高了分子极性，加速了毒物被排出体外的速度，Ⅱ相反应在大多数情况下代 表了机体的减毒倾向[2]。
表4-1遗传毒性物质基本代谢过程
第二节 I相代谢反应
一、氧化一还原反应
1．依赖于细胞色素P - 450的单加氧酶系
就其最佳底物的数量及可催化代谢反应的多样性来看，在所有和I 相代谢反应有关
的酶系中，依赖于细胞色素P - 450的单加氧酶系（cytochrome P- 450 - dependent
p73
mon∞xygenases)所起的作用最重要。其核心部分是细胞色素P 一450(cytochrome
P 一450．EC l．14．14．1) ，几乎所有的人体组织器官中都有细胞色素P 一450的存在，尤以 肝脏细胞内质网上含量最多。
真核生物中和遗传毒物代谢有关的细胞色素P 一450几乎都是膜结合蛋白，主要嵌
合在细胞的内质网结构上。实验室里通常通过组织匀浆破碎细胞，应用差速离心，首先去 除细胞碎片和线粒体组分，上清液再次离心，细胞色素P 一450就随着内质网碎片即所谓 微粒体结构沉降在10 0009沉淀中。P 一450是一个血红素蛋白，通常P 一450血红素内 的铁原子以三价铁形式存在，在某些还原剂作用下，三价铁可被还原为两价铁，还原型细 咆色．素P 一450和一氧化碳结合差光谱在450nm 处有一个主要吸收峰，这是细胞色素
P 一450区别于其他血红素蛋白的一个显著特征，就由此得名为“P一450”。
依赖于细胞色素P 一450的单加氧酶系主要以以下方式催化底物的代谢：
底物(RH ) +O 2+NADPH +H +→产物(ROH ) +H 2O +NADP +
这一基本过程是一个单加氧过程，氧分子中的一个氧原子和底物结合，另一个则还原为
水，这里需要NADPH 作为质子供体。在反应中P 一450与底物及氧原子直接结合，和
NADPH 不直接作用。大多数细胞色素P 一450首先和底物结合，然后才和分子氧结合并
活化分子氧，这样机体就免于被所产生的活性氧成分伤害；在有竞争性抑制剂存在的情况 下，抑制剂通过和P 一450活性中心结合，启动活性氧的产生，而不伴随其他物质的氧化， 从而对机体造成损伤。在有些情况下，NADH 取代NADPH 在反应中的作用。P 一450催
化反应必须有适当的电子来源，为了使氧分子中的0一O 键断裂，血红素铁首先必须通过 电子传递链得到两个电子而被还原，根据P 一450在细胞内的定位不同，生物体有两种不 同的电子传递链：为定位于内质网的P 一450提供电子的是NADPH 细胞色素P 一450还
原酶，它本身也是一个内质网定位酶，通过N 末端的“尾巴”穿越内质网，分子的大部分在 内质网的细胞质方向，这个酶有两个结构域(domain)，各有一个黄素分子，两个电子从
NADPH 经FAD 和FMN ，最后到达P 一450的血红素铁；对线粒体定位的P 一450(如
CYPllAl 、CYPllA2、CYPllBl 、CYP24、CYP27A1、CYP2781) ，电子传递链的组成有所
不同，在这里铁氧化还原蛋白是P 一450的直接电子供体，铁氧化还原蛋白不含有黄素， 替代黄素位置的是铁硫簇，铁氧化还原蛋白被铁氧化还原蛋白还原酶(一种黄素蛋白) 所
还原，电子从NADPH 经铁氧化还原蛋白还原酶和铁氧化还原蛋白，最终到P 一450；还有 个别P 一450从．细tga 色素b5得到电子。
以下列举P 一450催化的几个典型反应：
1)双键环氧化：
''香豆素→香豆素-3, 4-环氧化物
2) 羟基化作用：
脂肪族碳羟基化：
睾酮−−−−→6β-羟基睾酮 CYP3A4
芳香碳羟基化：
香豆素−−−−→7-羟基香豆素CYP 2A 6
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3) 杂原子去烷基化：
7-乙氧基，9-羟基-3-异吩噁唑酮(7 -乙氧基试卤灵)CYPIA1／2，9-羟基-3-异
吩噁唑酮（试卤灵）
4)杂原子氧化：
4-（甲基亚硝胺基）-1-（3-吡啶基）-1-酮(NNK)—一N-氧化NNK
5) 脱氢反应：
除了催化上述的反应外，P - 450还可能催化其他一些反应，如偶氮还原、氮还原以及 还原脱卤等；在甾体激素合成过程中P - 450也可以催化C-C 键断裂，例如CYP11A1在
胆固醇转化为孕烯醇酮过程中的侧链断裂作用；以及取代环己烷的芳烃化作用，如
CYP19在将睾酮转化为雌激素时就起了芳烃化酶的作用。
所有的细胞色素P- 450基因都属于一个超基因家族，基因根据其序列同源性归为
不同的基因家族和亚家族，氨基酸序列同源性高于40%者归为同一家族，高于55%以上
者归人同一亚家族。目前有约1000个不同的细胞色素P - 450基因完成了序列测定，分
别属于74个基因家族，目前已知有17个人类P - 450基因家族，其中有20个亚家族已在 人类基因组中定位[3]。参与人体代谢的主要为c YP1至CYP3家族以及CYP4家族部分
成员的基因产物（表4=2）。
表4-2人类细胞色素P- 450主要基因家族及代谢催化功能
p75
表4-3已完成序列测定的CYP 基因
一命名中数字后的字母P 表示该基因是一个不可能产生功能蛋白质的假基因。
2．含黄素的单加氧酶系催化的反应
含FAD 的单加氧酶系（flavin-containing monooxygenases，FMO ，EC l.14 .13.8）主要 存在于肝脏、肾脏和肺中，也是微粒体酶，FMO 与依赖于细胞色素P- 450的单加氧酶系
(CYP)在功能上有交叉，虽然两者在催化机制上完全不同。许多体外实验手段可以区别
各种FMO 和CYP 的催化活性，首先FMO 对热不稳定，在没有NADPH 存在的条件下，
50℃保温1min ，就可以使FMO 全部失活；CYP 对非离子性去垢剂不稳定，1% Emulgen
911可使之失活，而FMO 几乎不受影响；也可用抗原一抗体结合来进行研究，由分离纯化
的细胞色素P- 450制备的抗体不仅能区分FMO 和CYP 的活性，而且还可以区分不同
种类CYP 的活性，但FMO 与本身抗体相结合却不影响活性表现；抑制剂也可以用于微
粒体中各种FMO 和CYP 的活性的区分。
FMO催化反应历程主要包括如下几个步骤：首先FAD 被NAPH 还原，氧化态
NAP+仍然结合在酶分子上不脱落，并和氧结合形成过氧化物，由于FAD 的活性中心由
非亲核性、高度亲酯的氨基酸所组成，因此生成的过氧化物还比较稳定，随后在底物被氧 化时，4a -羟基过氧化黄素转化为4a -羟基黄素，最后一步是4a -羟基黄素恢复到初始
的氧化态FAD ，释放出氧化态NAP+。
由于FMO 氧转移能力显著低于CYP ，因此前者主要限于催化所谓“软性”亲核中心
的代谢，如亲核N 、S 杂原子的氧化，生成N-氧化物或S-氧化物，以及由叔胺生成N-
氧化物，由仲胺生成羟胺和硝酮，伯胺生成羟胺和肟。肼以及一些含碘、砷、硼的化合物也 可作为含FAD 单加氧酶的底物。
目前发现FMO 只有一个基因家族，包括5个均为单一成员的亚家族，分别命名
FM01～FM05。人类基因组中FMO 家族集中在lq 区段内，编码产物同源性在
p76
50％～60％左右。以上5个同工酶的表达有显著的种属专一性和组织专一性，人肝脏
中最主要表达的是FM03，肾脏中主要为FM01。不同的FM0具有不同的物理性质，其
底物特异性也不同，例如FM02适合催化正辛胺等脂肪族长链伯胺的N 一氧化，而对
FM01来说，长链伯胺不是合适底物，冬眠灵等短链季胺才是合适底物。
3．依赖于过氧化物酶活性的氧化过程
与前述过程不同，由过氧化物酶催化的外源化合物氧化过程不需要NADPH 及
NADH 参与，它通过耦联过氧化氢或过氧化物的还原来氧化其他化合物，其中的过氧化
[4]
物酶活性并不限于过氧化物酶(peroxidase，P0，EC l．11．1．7) ，多种其他酶都能提供这种 活性，因此我们在此统称为过氧化物酶活性。在外源基因毒物代谢中起过氧化物酶活力
作用的主要有前列腺素H 合成酶(PHS)，主要分布于肾髓、血小板、血管内壁、肠道、脑、 肺和膀胱上皮等处；乳腺上皮的乳过氧化物酶以及血液白细胞中的髓过氧化物酶。其中
研究最多的是前列腺素H 合成酶，PHS 具有双重活性，环氧化酶活性将花生四烯酸转化
为环状的内过氧化物一氢过氧化物PGG2，同时其过氧化物酶活性将氢过氧化物转化为
相应的醇PGH2，就此与外源化合物的氧化过程耦联。
PHS等过氧化物酶活性在细胞色素P 一450活性较弱的肝外组织中遗传毒物代谢活
化过程中起重要的作用。例如在肺部，7，8一二羟基苯并芘的9，10一环氧化可由上皮细 胞中含量很高的15一脂氧化酶所催化，在皮肤里这个代谢可由皮肤脂质过氧化过程中产
生的过氧化自由基促进，提高肺癌和皮肤癌的发病风险。膀胱上皮中P 一450活性很低， 而PHS 量较高，可以活化联苯胺、4一氨基联苯、2一氨基萘等芳香胺，形成可与DNA 加合 的代谢中间物，在膀胱癌致癌过程中发挥作用。
二、水解反应
1．酯酶催化的反应
酯酶(esterases，EC 3．1．1) 其实是一个很庞杂的概念，它除了能催化羧酸酯水解外， 还可以催化许多其他有机物质，如酰胺、硫酯、磷酸酯以及酸酐的水解；另一方面，羧酸酯 或磷酸酯键的裂解也可能由其他酶所催化。和其他代谢酶系不同的是，直到现在为止，还 没有一个比较合理的酯酶分类命名系统。l953年Aldridge 的命名系统，在今天看来虽然 差强人意，但由于在毒理学方面还有部分实用价值，因此文献中仍在使用。根据Aldridge 的定义，能够水解磷酸酯键的为A 酯酶；可被磷酸酯抑制的为8酯酶；既不能水解磷酸酯 也不为其抑制的为C 酯酶。一般认为A 酯酶活性中心中包括半胱氨酸；而B 酯酶则包括
丝氨酸，对B 酯酶而言，有机磷酸酯对丝氨酸羟基的不可逆修饰导致了酶活性被抑制。
目前已经分离纯化或已克隆基因的酯酶绝大多数属于B 酯酶类型。
乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase)也属于B 酯酶，乙酰胆碱酯酶在动物神经活动中 起中断神经递质乙酰胆碱的作用，有机磷类(还有氨基甲酸酯类) 杀虫剂的毒性机制就在
于有机磷对活性中心丝氨酸羟基的修饰，抑制乙酰胆碱酯酶活性。
芳香族酯类是A 酯酶的最佳底物，在有些文献中A 酯酶又被称为芳香基酯酶。A 酯
酶对磷酸酯键的水解作用是哺乳动物对有机磷农药最主要的减毒代谢途径之一。哺乳动
p77
物A 酯酶活性显著高于昆虫，对有机磷物质的种属差别毒力是这一类杀虫剂分子设计基
础之一。酯酶对有机磷类毒物的减毒作用，除了对磷脂键的水解作用(主要是具有较大
V 。。。值的A 酯酶) 外，还可能通过体内超量合成(overproduction)的酯酶蛋白和有机磷物 质共价结合形成对毒物的“扣押”Csequestration”) 作用，有效降低毒物在靶部位有效浓 度，对于大量的具有较小Vmax 值和Km 值的A 酯酶以及几乎所有的B 酯酶来说，后一种
机制可能更为重要。
关于C 酯酶，目前积累的实验事实还非常有限，惟一可以肯定的是乙酸酯是其最佳
底物，因此文献中也有称为乙酰基酯酶的。
酯酶在人体各种器官内均有表达，迄今为止，还没有关于某一物种或某一组织器官酯 酶种类总数目的确切数据。酯酶大多数是糖蛋白，翻译产物糖基化修饰程度的差异可造
成同一基因的产物以多种形态出现，又由于大多数酯酶是多聚体蛋白质，因此最终可以确 定的基因组内酯酶活性基因总数一定将比以等电聚焦电泳或非变性胶电泳谱判别的酯酶
N-c 酶条带数目要少。
2．环氧化物水化反应
环氧化物水解反应(epoxide hydration)是由环氧化物水化酶(epoxide hydrases，EH ， EC 3．3．2．3) 主要催化碳一氧三圆环环氧桥结构的开环，水解高度亲电子的环氧化物。 由于碳一氧键的高度极性以及不稳定性，环氧化物是高度活化的，很容易和DNA 、蛋白质 等生物大分子共价结合，形成加合物，从而导致细胞毒性或遗传物质突变。哺乳动物体内 的环氧化物水化酶可分为两类：一类是膜结合的，存在细胞的内质网上，称为微粒体环氧 化物水化酶(microSomal epoxide hydrase，mEH) ；另一类存在于细胞质中，称为可溶性环 氧化物水化酶(soluble epoxide hydrase，sZH) 。两者之间氨基酸水平上的同源性小于
15％，但其空间构象却基本一致。从外源基因毒物体内代谢的角度看，mEH 的重要性要
远远超过sEH 。
环氧化物水化酶在几乎所有的人体器官(肝、肺、肾、胰、皮肤、睾丸和卵巢等) 来源的 微粒体组分中都有分布，在某些器官，如肝脏和肺中，环氧化物水化酶活性的组织分布和 细胞色素P 一450基本上是重合的，这就在组织学上保证了由后者催化生成的氧化物能
及时地被水解。
就基因家族而言，mEH 是一个特例，与前述的细胞色素P 一450超家族(CYP)，以及
后面的谷胱甘肽S 一转移酶基因家族(GST)和N 一乙酰基转移酶基因家族(NAT)不
同，mEH 基因家族是单一成员家族，目前只发现了一种人mEH 基因。
mEH对底物结构有一定的要求，它首先要求底物分子必须是高度脂溶性的，同时要
求环氧桥反式位置上无取代基，不致于对酶一底物结合造成空间障碍，mEH 最典型的底
物是多环芳烃的代谢物。虽然mEH 催化环氧化物的水解在绝大多数情况代表了解毒或
减毒倾向[5]，但也有相反的情况，例如它催化7，8一环氧化苯并芘水解阻止了该环氧化物 自发异构化为毒性较低的7一酚或8一酚，生成7，8一二羟基苯并芘，然后在其他酶的进 一步催化作用下，生成具有极高致突变能力的7，8一二羟基9，10一环氧苯并芘，至此， mEH 就无能为力了。
p78
第三节 Ⅱ相代谢反应
Ⅱ相代谢应(phaseII metabolism)主要包括结合谷胱甘肽(glutathione)、葡糖醛酸
(glucuronate)、硫酸盐化(sulfation)、乙酰基化(acetylation)、甲基化(methylation)。绝大多 数Ⅱ相代谢反应都伴随着分子亲水性的增加，从而促进遗传毒物排出。在许多情况下，
1I 相反应以工相反应，特别是细胞色素P 一450催化反应产物为底物，但也可直接以母体 化合物为底物。
一、谷胱甘肽结合
谷胱甘肽S 一转移酶(glutathione S—transferases ，GST ，EC 2．5．1．18) 催化内源还原 性谷胱甘肽GSH(图4—1) 与遗传毒物或其代谢中间物(大多是I 相反应酶催化反应的结
果) 分子上的亲电子碳原子的结合，此外它还可催化底物分子上亲电子杂原子(如O 、N 及
S) 和GSH 的结合，增加分子的亲水性。
图4—1谷胱甘肽结构
谷胱甘肽S 一转移酶广泛分布于人体各重要组织器官，肝脏、肾脏、肠道、肺部等处活 力最高，体内GST 有两大类：可溶性的，或称细胞质GST ，占GST 总活力的95％以上；膜 结合的微粒体GST ，表现的活力不到总活力的5％。在外源化学物体内代谢作用方面，细
胞质GST 起的作用更为重要。细胞质GST 酶蛋白都以二聚体形式存在。所有的细胞质
GST 基因都从属于单一的超级基因家族，超家族内部众多成员根据DNA 序列同源程度
又分属于6个家族，旧命名法以希腊字母分别标记为GST α、μ、π、θ、σ、κ家族，也有写作 GST alpha，mu ，pi ，thita ，sigma ，kappa 家族；新的命名系统以英文字母取代原来的希 腊字母，改为GSTA 、M 、P 、T 、S 、K 家族，但是旧的系统仍有人在使用[6|。GSTMl 基因
位于人1号染色体，GSTTl 基因位于22号染色体，GSTPl 在11号染色体。
肝脏内谷胱甘肽生理浓度很高(约10 mmol／L 水平) ，因此不能排除某些外源化合物
和还原性谷胱甘肽的非酶促结合，GST 酶通过谷胱甘肽巯基的去质、子化(GSH--，GS 一) 。 以及使底物和谷胱甘肽相互之间正确定向，显著提高反应速率。GST 酶催化反应受细胞
内“产物抑制”反馈机制调控。细胞通过一个有mdr(药物多重抗性基因) 蛋白复合体参
与的主动输送机制不断将结合产物送出细胞外，以维持正常反应速率。同时产物谷胱甘
肽结合物首先在Y 一谷氨酰转肽酶的作用下切去谷氨酸，然后通过氨肽酶的作用切去甘
氨酸，残余的半胱氨酰结合物通过N 一乙酰化最终形成终产物硫醚氨酸衍生物，．-IX 过
尿液排出；完整的谷胱甘肽结合物大多通过胆汁排出。
p79
除上述反应外，谷胱甘肽S 一转移酶还参与催化碳原子上吸电子取代基团(例如卤
素、硫酸酯、磺酸酯、磷酸酯以及硝基) 的亲核取代，如果芳香环上同时还有其他给电子基 团(如氨基和羟基) 则亲核取代倾向被削弱，反之，如果芳香环上同时还有其他吸电子基
团，反应会加强。一个典型的例子是由1一氯一2，4一二硝基苯(CDNB)和GSH 在谷胱甘
肽S 一转移酶催化下生成S 一(2，4一二硝基苯) 谷胱甘肽和盐酸。
谷胱甘肽S 一转移酶催化的第三类反应是GSH 对a ，p 一不饱和酮双键以及环氧化物
环氧桥的开环亲核加成。许多环氧化物是某些谷胱甘肽S 一转移酶同工酶谷胱甘肽亲核
加成反应的最佳底物，例如GSTPl 对苯并芘7，8一二羟基一9，10一环氧化物开环加成反 应催化活性很强。
二、葡糖醛酸结合
尿苷二磷酸葡糖醛酸转移酶(UDP—glucuronyl transferases，UGT ，EC 2．4．1．17) 催化 多种外源化学物质和a —D 一尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA，图4—2) 的结合，UGT 是细
胞内质网定位酶，主要分布在肝脏内，另外还存在于肾脏、皮肤、肠道、胰脏和鼻黏膜等部 位。葡糖醛酸结合代谢主要是发生在富电子的亲核杂原子(0、N 或S) 上，合适底物包括
以下类型有机物：脂肪醇或酚、羧酸、芳香族和脂肪族的伯胺和仲胺以及有游离巯基的化 合物等。从所负担代谢量的角度看，葡糖醛酸结合可能是最重要的Ⅱ相代谢反应。
UGT催化生成的葡糖醛酸结合产物是高度极性的，很容易通过尿液和胆汁排出体
外，至于究竟是通过尿液还是通过胆汁，则取决于其分子质量大小，较小的分子主要以尿 液形式排出，较大的则主要以胆汁形式排出。
图4—2 a．D 一尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA)结构
尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDP一葡糖醛酸) 是反应必需的辅因子，它是由葡萄糖一1一
磷酸(G一1P) 合成的。必须指出的是，尿苷二磷酸(UDP)和葡糖醛酸之间的键为a 构型， 可以避免J3一葡糖醛酸酶的水解作用。而所有的外源化学物质一葡糖醛酸结合物分子中 间的键都是B 构型，这是因为结合物是通过底物分子富电子杂原子对UDP 一葡糖醛酸的 亲核攻击生成的，攻击方向恰恰是指向联键的反向。
尿苷二磷酸葡糖醛酸转移酶定位在内质网上，酶的活性中心面向内质网内腔，在蛋白 质合成过程中，N 末端一段疏水的信号肽指引分子定向，这段肽在翻译后加工过程中被切 除，成熟蛋白肽链C 末端膜内张力域(domain)使酶“锚定”在内质网结构上。这样的定向 便于由细胞色素P 一450或其他内质网定位的I 相代谢酶催化形成代谢中间物的进一步 葡糖醛酸化；但另一方面也给反应辅助因子UDP 一葡糖醛酸的供应造成问题，后者在细
p80
胞质里合成，通过一个穿梭输送机制送人内腔，反应副产品UDP 则被送回细胞质以供重
新合成UDP 一葡糖醛酸。这一穿梭过程是整个葡糖醛酸化反应的“瓶颈口”，决定了反应 的总速率。
编码UGT 的所有基因可分为两大家族：UGTl 和UGT2"J 。UGT2又可进一步分
为UGT2A 和UGT28两个亚家族。UGT28亚家族包括了目前已发现的大多数UGT
基因，它们的编码产物主要和甾体代谢有关；UGT2A 亚家族目前只发现一个成员基因，
在鼻黏膜中高度表达，具有底物广谱性。UGTl 家族的情况非常有趣，整个家族只有一
个基因，却编码了lo 种蛋白质。基因编码序列包括5个外显子。外显子l 上不同的转录 起始点造成由一个基因产生众多的初级转录产物，通过对初级转录产物的剪接，形成一批 不同的mRNA ，所有这些mRNA 只有从外显子l 来的序列有区别，从外显子2至外显子
5来的序列完全一致。从外显子1来的不同序列决定了酶分子N 末端的底物结合域的构
成，由此造成同工酶之间底物专一性的差异。它们的底物谱总合起来涵盖了从内源的胆
红素到吗啡一直到苯并芘在内的许多化合物。
三、N 一乙酰化
N一乙酰基转移酶(N．acetylase ，NAT ，EC 2．3．1．5) 催化的N 一乙酰基化是众多芳 香胺和酰肼类物质主要的代谢转化途径之一。反应要求辅因子乙酰辅酶A(乙酰基一
CoA ，图4—3) 的参与，整个反应是一个两步过程，首先乙酰基一CoA 转移到酶活性中心 的半胱氨酸的巯基上，释放出CoA ，然后乙酰基从被乙酰化的酶分子转移到底物分子上， 酶分子得到再生。
图4—3乙酰辅酶A(乙酰一CoA) 结构
人NAT 是一种细胞质酶。人NAT 基因包括两个功能基因NATl 和NAT2以及一
个假基因NATP ，三个基因都位于染色体8p ter—qll 区段[8|。NATP 由于基因内含有多
个终止密码，因而是不能表达的假基因。不同寻常的是NATl 和NAT2的编码区都是连
续的，不存在内含子。两者编码区都长870bp ，编码270个氨基酸序列。两者高度同源， 其同源性在DNA 水平上表现为87％，在蛋白质水平上为81％。活性中心都在肽链的N 末端，半胱氨酸是活性中心的关键部分。虽然两个基因在DNA 链上呈上下游排列，相互 仅隔25kb ，但这两个基因的转录和翻译是各自独立调控的。两者表达的组织特异性不 同，NATl 在人体许多组织中都有表达，而NAT2主要在肝脏和肠中表达。两者的底物
谱互相覆盖，但是各自又有其不同的最适底物。NATl 的最适底物包括4一氨基苯甲酸、
p81
4一氨基水杨酸；NAT2能催化范围广泛的药物代谢，例如咖啡因、异烟肼、磺胺二甲嘧
啶、普鲁卡因酰胺等。两个同工酶都参与催化芳香胺的代谢，如联苯胺、4一氨基联苯、 2一萘胺。一般说，脂肪族伯胺不可能是N 一乙酰基化作用的良好底物，谷胱甘肽S 一转 移酶催化产物谷胱甘肽结合产物被相继切去谷氨酸和甘氨酸，残余的半胱氨酰结合物在
形成硫醚氨酸衍生物过程中的N 一乙酰化作用可能是一个特例。由于N 一乙酰化反应
产物的亲水性反而比母体化合物要低，它的生物学功能可能首先是造成生物碱类活性物
质体内失活。芳香族胺的N 一乙酰化是一个减毒代谢，芳香胺的N 一乙酰化减毒代谢和
通过N 一氧化增毒代谢处于竞争的状态，然而即使N 一氧化代谢先进行一步，产生的羟
胺仍有可能是乙酰化减毒代谢的良好底物。代谢的最终结果取决于乙酰化和氧化代谢相
对速率的快慢。
四、硫酸盐化
磺基转移酶(sulfotransferases，SULT ，EC 2．8．3) 负责催化磺酸基由共底物3ˊ一磷酸 腺苷5’一磷硫酸(PAPS，图4—4) 向底物亲核中心的转移。SULT 的底物谱基本上同尿
苷二磷酸葡糖醛酸转移酶相同，SULT 不能以羧酸为底物，一些羧酸，如苯甲酸、萘甲酸、 萘乙酸、水杨酸反而是SULT 的竞争性抑制剂。五氯酚和6一二氯一4一硝基酚也可抑制 磺基转移酶的活性，是因为它们可与酶活性中心结合，由于在芳香环邻位和对位上有吸电 子取代基底物，不能被催化转化。酚类和脂肪醇是SULT 的两个主要底物类群，此外
SULT 还能催化某些芳香胺，如苯胺以及2一氨基萘形成相应的氨基磺酸盐。有许多外
源化学物质在经过工相代谢反应后，羟基被引入或得以暴露，可被UGT 催化，而不能被
SULT 所催化。反应磺酸基供体PAPs 是由无机硫酸盐和ATP 通过一个两阶段的反应
过程合成的：首先ATP 硫酸盐化酶催化形成腺苷一5ˊ一磷硫酸(adenosine一5ˊ-phosphosul — fate ，APS) 和焦磷酸，然后在APS 激酶催化下，磷酸基由ATP 转向APS 的3ˊ位。合成
PAPS 所需的硫酸盐大多数来自体内半胱氨酸的氧化过程，由于体内游离态半胱氨酸的
浓度不高，因此体内PAPS 的生理浓度很低(大约在75μmol ／L 水平) ，远低于α—D 一尿苷
二磷酸葡糖醛酸(UDP glucuronic acid)(约350μmol ／L) 和谷胱甘肽(约为l0 000／μmol ／L) 的水平。SULT 的Km 和Vmax 值都比UGT 要低，说明SULT 对底物的亲和性强，但转换
能力有限，因此底物在当体内浓度较低时偏向于被硫酸盐化(sulfurization)，浓度增加时， 则倾向于被葡糖醛酸化。
图4—4 3ˊ磷酸腺苷5ˊ磷硫酸(PAPS)结构
p82
SULT在体内遗传毒性物质代谢过程中可能主要催化体内低浓度物质的结合，由于
硫酸盐化增加了其亲水性，可以促进毒物的减毒和加快排除过程。但是SULT 也可能参
加某些前致癌剂的体内代谢活化，例如由于CYPlA2催化的芳香胺羟基化形成的芳香族
羟胺可为SULT 进一步催化形成的芳香族N 、O 一磺酸酯很容易进一步分解产生具有遗
传毒性的氮烯离子。
SULT是一个细胞质酶。以前的分类系统很不统一，有人将其分为5大类，分别为芳
香族磺基转移酶、醇磺基转移酶、雌激素磺基转移酶(也有人称羟基甾醇磺基转移酶) 、酪
氨酸酯磺基转移酶以及胆酸盐磺基转移酶，五大类中各自又分若干小类。在近年来基因
序列测定的基础上，目前所有的SULT 基因被分别归入三个基因家族：家族l ，包括以前
所称的芳香族磺基转移酶基因；家族2，编码以前所谓的羟基甾醇磺基转移酶；家族3，目
前只知道一个成员，其基因产物催化脂肪族胺的硫酸盐化。
五、甲 基 化
甲基化反应(methylation reaction)就其代谢重要性而言，远比不上前面讲过的其他Ⅱ
相代谢途径。在大多数情况下，甲基化的结果是降低了化合物的水溶性，而且还会将本来
有可能为其他酶催化结合减毒的一些重要功能团甲基化封闭。尼古丁等吡啶类化合物的
N 一甲基化是一个明显的例外，这时甲基化产物水溶性增加，促进了毒物从体内排出。
甲基化反应通常由甲基化酶(methyl transferase，MT ，EC 2．1．1) 催化，要求S 一腺苷
甲硫氨酸(SAM，图4—5) 作为甲基供体。甲基化是通过底物分子富电子的杂原子(0、N 、
S) 亲核攻击实现的，因此和甲基化有关的化合物包括酚、邻苯二酚、脂肪胺、芳香胺、含N
杂环、以及巯基化合物等。金属也可能被甲基化，无机汞和无机砷可被二甲基化，而无机
硒可被三甲基化。
图4—5 s一腺苷甲硫氨酸(SAM)结构
第四节代谢基因多态性
外源化学物质体内代谢能力的多态性直接影响到遗传毒性物质对不同生物体可能造
成的危害风险差异(表4—4) ，造成这种代谢能力差异的原因很多，在临床实践和实验动
物研究中很早就注意到食品、个体年龄和性别可能影响到上述差别，例如在大鼠中有性别
专一P 一450同工酶亚家族CYP2A 、CYP2C 、CYP3C ；在人类中虽然没有类似的报道，但
p83
是不同性别在基因表达效率方面的差异现象很普遍。
表4-4外源化学物代谢有关基因多态性和健康危害易感性
导致代谢能力个体差异最主要的原因是由于编码基因多态性造成代谢酶的多态性，
近年来，越来越多的外源化学物质代谢酶基因被证明存在一种以上等位基因形态。在基
因组内，不同位点DNA 序列发生变化是十分普遍的现象，我们所谓的基因多态性的定义
是：在所研究的群体中出现频率大于1%的多种等位基因形态。有两种或两种以上多态
形态的基因为多态( polymorphic)基因，反之则称单态(monomorphic)基因。表4-5列出
的是目前已经证明及有待证明的多态性外源化学物代谢酶基因。
表4-5多态性外源物质代谢酶基因
p84
一、细胞色素P- 450基因超家族多态性[10]
1．CYPIA1
该基因主要在肝外组织中表达，催化具有平面结构的多环芳香烃类(PAH)氧化生成
酚类和环氧化物，底物也包括一些小分子物质。它的活性可由二噁英、苯并芘、三甲基胆
蒽等所诱导。PAH 是一类重要的化学致癌物，进入人体后，经过CYPIA1活化，形成有致
癌活性的物质。人CYPIA1基因在15号染色体上，整个基因有6311个碱基对，包括7
个外显子，其中，第一个外显子并不编码。在C YPIA1中，目前已发现了8种等位基因
（表4-6）：
表4 -6 CYPIA1基因多态性
目前研究主要集中在CYPIA1*2A和CYPIAl* 2B上。研究表明，CYPIAl+ 2A
基因的mRNA 水平的表达同野生型没有差异，而CYPIA1*2B等位基因，无论在纯合型
还是在杂合型中，其mRNA 水平的表达均高于野生型。CYPIAl+ 2A和CYPIAl' 2B
纯合型可产生高诱导活性的CYPIA1酶，使致肺癌的多环芳烃类化合物活化速率加快，
使携带者成为肺癌的易患个体。但这两种基因型比较罕见，给研究带来了一定的困难。
CYPIA1基因的多态性还同膀胱癌、乳腺癌、结肠癌、子宫肌瘤等的易感性有关。
2．C YP2D6
C YP2D6的遗传多态性在早期又称为硫酸异喹胍／金雀花碱多态性。CYP2D6参与
大量医疗用药的代谢。人C YP2D6基因在22号染色体上，包括9个外显子，共4378个
碱基对。C YP2D6具有较多的基因多态形态，目前已正式报道的就有69种之多，包括单
个或数个碱基的替换以及大片段缺失引起的读码框架移位、翻译产物剪切错误，造成酶活
性的变化或消失，表现型多态形态要比基因型稍微简单一点，共发现有26种突变蛋白。
根据对硫酸异喹胍代谢率表现型，可将人群划分为三类：高代谢型、低代谢型、极高代
谢型。低代谢型的分布在不同的人群中变化很大，在欧洲人和白种美洲人中，约为
7.5%，而在中国人、日本人和美洲黑人中，仅为0～2%。在高加索人及美洲白人中，同低
代谢型有关的等位基因主要是CYP2D6*3、CYP2D6*4和CYP2D6*5。这几个等位基
p85
因在中国人中分布相当少，而属于CYP2D6*10的三个等位基因较为普遍，尽管没有被
列为低代谢型，这些等位基因编码的酶活性仍然偏低。有人研究发现，这是由于
CYP2D6。10等位基因在第188位有一突变，引起酶蛋白P34 S突变造成的。
CYP2D6。2XN 基因携带个体为极高代谢型，该等位基因是由基因扩增形成多拷贝造成
的。由于CYP2D6的突变等位基因大多表现为酶活性的降低或消失，减少了有害活性代
谢物的产生，所以携带纯合野生型基因个体对肝癌等疾病有更高的风险。低代谢型个体
则由于不能代谢某些药物而会产生一些副作用，与肿瘤高发风险有关的基因型主要是高
代谢型。高代谢型同膀胱癌、肺癌以及消化道肿瘤的易感性有关。低代谢型同帕金森氏
病易感性可能有关。
3．CYP2E1
CYP2E1与一些低分子质量有机物的代谢有关，包括苯、乙醇、氯乙烯、亚硝胺等，小
分子的亲脂性化合物是CYP2E1最佳底物。CYP2E1可同时催化许多底物氧化反应和还
原反应。有一些底物是前致癌物，经催化后形成终致癌物。乙醇可以诱导CYP2E1基因
的表达。CYP2E1基因位于人10号染色体上，包括9个外显子，共ll 413个碱基对。
目前已经发现CYP2E1基因多态形态有7种，对5ˊ端上游序列中的Pst I／Rsa I
多态性(CYP2E158、Gl293 C及Cl053 T)和内含子6中的Dra 工多态性(CYP2E16，
T7632A) 研究较多。Pst I／Rsa I多态形态改变了该基因的转录活性，转录活性有很大提
高，可能Pst I／Rsa I位点同某个转录因子结合有关。有报道说，Pst I／Rsa I多态性
多态形态杂合子个体患酒精性肝病危险性比野生型高。Dra I多态性对酶的结构没有
影响，它只能影响酶的表达。有研究表明CYP2E1野生型基因型携带个体患食管癌风险
比Dra 工多态性等位基因携带个体高5倍。
4．CYP2A6
CYP2A6参与一些重要致癌物的代谢，如黄曲霉素81、N 一亚硝基二甲胺、NNK 等，
也催化香豆素的羟化以及尼古丁形成可替宁的反应。CYP2A6基因位于人19号染色
体。目前已发现9个多态形态，一个是CYP2A6‘2，外显子3有一个碱基突变(T479A)，
氨基酸水平上表现为Ll60H ，导致酶活性的显著降低；另一个是CYP2A6*3，其外显子3、
6、8里面包含了CYP2A7P 假基因的一份，形成一个编码无活性产物的杂交基因。在日
本人群中，这两种等位基因分别占20％和28％。其他一些突变等位基因大都不能产生有
酶活性的基因产物。
5．CYP2C9和CYP2C19
目前，CYP2C9和CYP2C19的多态性日益受到重视，它们都参与催化许多重要的治
疗用药的代谢。CYP2C9基因位于人10号染色体上，已证实有两个主要的突变等位基
因：CYP2C9*2(c430T，Rl44C) 和CYP2C9*3(A1075C，I359L) ，它们所编码的酶活性降低。
它们在中国人群中的检出频率很低。
CYP2C19也位于人l0号染色体，迄今已发现CYP2C19突变等位基因产物有10
种，除CYP2C19。1B(c99T及A991G 、I331V) 由于l —V ，酶活性基本不受影响外，其他或是
p86
由于剪接错误，或是在编码序列中出现终止密码，因此都不能产生有酶活性的蛋白质。
CYP2C19低代谢型人群频率表现出较大的人种差异，在东方人群中，其比率达到10％～
20％，而在欧美人群中，只有几个百分点。
6．其他细胞色素P 一450
CYPIBl已有19种突变等位基因报道，突变蛋白ll 种；CYP2A6的突变等位基因已
发现有8种，变异蛋白有4种；CYP3A4发现有3种突变等位基因；CYP3A5有1种。
7．芳香烃受体
芳香烃受体并不是一个具有催化活力的蛋白质，它是信号转导系统(。ignal transduc—
tion system)的一个受体蛋白，由于它的基因多态性影响到外源物质代谢酶基因，尤其是 **
CYPlAl 的表达，因此放在这里一并讨论。
芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor，Ahr) ，文献中也有称二口恶英受体(dioxin receptor) 的。该受体是一种配体激活转录因子(LTF)，同类固醇和甲状腺激素受体有一些相似。Ahr
的配体包括二Ⅱ恶英等许多环境化合物，配体跟Ahr 结合，引起Ahr 构象变化，Ahr 一配体复合 物进入细胞核，和Ahr 核易位蛋白(Ah receptor nuclear translocator，ARNT) 以及其他一些因子 结合，形成一个转录激活复合物，结合在CYPIAl 基因的增强子序列XRE 上，使该基因转录
活性增强。所以，Ahr 多态性可能影响CYPlAl 的表达。值得一提的是，Ahr 不仅参与
CYPIAl 的诱导，还与其他酶基因诱导有关，如CYPIA2、CYPIBl ，以及一些谷胱甘肽
[11]S 一转移酶基因和尿苷二磷酸一葡糖醛酸转移酶基因等。
人Ahr 蛋白分子质量为96kDa 。在肝脏、肺部、肾脏、胎盘、扁桃体、8淋巴细胞，以及
卵巢癌和乳腺癌细胞中均有发现。Ahr 基因位于人染色体7p21位点，由ll 个外显子和
10个内含子组成，cDNA 序列已有报道。
1998年有人报道在人Ahr 基因外显子10内发现两处多态性，G l721A(R554 K) 和
G1768A(V570I)，均位于蛋白质转录激活区。前者在高加索人的发生率为0．12，在日本人中为
0．43。实验表明，带有该突变基因的个体，与CYPIAl 有关的7一乙氧基一异吩口恶唑酮一脱
乙基酶(EROD)活性高于野生型基因携带个体，可能影响人群对某些疾病易感性。
二、谷胱甘肽S 一转移酶(GST)基因超家族多态性
1．谷胱甘肽S 一转移酶Tl 及Ml 基因多态性
细胞质GST 家族中，GSTMl 和GSTTl 多态性认定较早，多态形态包括基因缺损，
以及由于GSTMl 基因碱基置换(G534 C)造成氨基酸序列Kl73 N改变，形成变异体
(GSTMIA和GSTMlB ，旧命名法分别为GST μ和GST ) ；新近在西亚人群中发现了
GSTMl 基因多重拷贝的多态形态。
GSTTl基因型多态性状况在不同人种集团和地域居民人群间表现出很大差异[1 2|。
我们的工作发现上海市区正常人群GSTTl 纯合缺损率49．3％，远远高于高加索人种
(22％～l0％，平均l7％左右) 和美国黑人的水平(24％) ，与华裔新加坡人群报道值
(58．3％) 也有显著差异。我们认为华人人群作为地球上最大的种族集团，内部各亚人群
P87
之间在基因水平上的遗传差异必须引起注意。GSTMl 基因多态性人群频率在高加索人
群和东亚人群之间差异不大。
在GSTMl 纯合缺失基因型携带者肺部组织中发现比正常基因型成员高得多的
DNA 一多环芳烃(PAH)加合水平，同时也发现GSTMl 基因纯合缺失者体内有较高水平
的黄曲霉毒素81一白蛋白加合物。在GSTMl 基因纯合缺失的严重抽烟者淋巴细胞中，
发现姐妹染色单体互换率(SCE)上升。严重抽烟肺癌病人肿瘤组织中与PAH 有关的
P53基因的G —C 突变率也上升。虽然已经有不少工作证明GSTMlA 和GSTMlB 基因
产物在酶活性和其他酶学参数上没有多大差别。但是有报道说GSTMIA 基因形态和
GSTM3外显子6中3对碱基缺失突变出现有联系，从而和肺癌的易感性相关。
GSTTl基因缺失与否和小分子卤代烃以及活性环氧化物，如溴甲烷、氯甲烷、环氧
乙烷、1，2一二溴乙烷，二氯乙烷等在人红细胞中的结合率有关，就此可将不同的个体分为
“结合者”以及“不结合者”，根据氯甲烷在人红细胞中的结合率可以进一步将实验对象分
为三个组：即除前述两类外，还有一个介于两者之间的中间型，正好和GSTTl 的三种基
因剂量状态对应，即纯合缺失，一份基因也没有(0／0基因型) ；杂合缺失，有一份基因(0／1
基因型) ；不缺失者，有双份基因(1／1基因型) 。GSTTl 基因缺失者淋巴细胞中SCE 的
背景值也较高，这种背景水平可能是由于人体内源产生的乙烯和环氧乙烷所造成的。另
外GSTTl 酶也参与l ，2一二溴乙烷的生物活化，GSTTl 的较高基因剂量与l ，2一二溴
乙烷所诱发的较高基因突变率有关。
2．谷胱甘肽ls 一转移酶Pl 基因多态性
GSTPl基因长约3kb ，包括6个内含子和7个外显子，位于染色体llql3，编码长210
个氨基酸的酶蛋白，同时在12q13—14区发现一个可能是由反转录插入的相关假基因。
目前已发现hGSTPl 基因l05位和114位氨基酸密码子具有多态性，第l05位氨基酸
驴G 的改变，产生了Il05V 变异体，而第ll4位氨基酸密码子C —T 的改变导致了All4v
变异体的产生。105位处于疏水底物结合位点，构成该区域的8个氨基酸除第l05位，其
他7个氨基酸均十分保守，说明此位点对酶的生物功能很重要。l05位氨基酸体积大小
和疏水性的改变可影响酶的热稳定性，变异体的热稳定性比野生型低2～3倍，影响细胞
的解毒性能，这可能部分解释了GSTPl 一Vall05／Vall05纯合子和肿瘤易感性升高之间的
关系。第ll4位氨基酸位于疏水底物结合位点之外，GSTPl 一Valll4的酶活性较之野生型
并无明显差异。GSTPl 在人肺，肾和前列腺中表达，在肝中不表达或表达水平极低。
GSTPl —1在肿瘤细胞中的表达水平较正常组织中高，可能与人类肿瘤对抗癌药物耐受
性提高有关。不同种族群体间两个基因座的基因频率有显著差异。Harris 等对GSTPl
的两个多态性位点在土著澳大利亚人、欧裔澳大利亚人、印度人以及华人中的分布研究表
明：这两个位点频率在澳大利亚土著人和华人间相互很接近，欧洲人和印度人相互也很接
近，但两大组之间有显著差异。我们的工作表明，中国人群内部不同地域居民群体间(上
海、北京和台湾)1105V 位点多态性态的人群频率相当均一，与欧裔美国人、欧裔澳大利亚
人以及非洲裔美国人都有显著差异。由于GSTPl 基因遗传多态性的发现较GSTTl 和
GSTMl 的晚，有关其多态性与癌易感性关系的工作还不多，已有报道认为突变型基因与
膀胱癌以及睾丸癌的高发有关联。
p88
三、N 一乙酰基转移酶(NAT)基因家族多态性
由NAT 催化的异烟肼乙酰化代谢是科学上最早确定的具有人群多态性特征的药物
代谢过程。1952年Bonicke 等发现，在接受异烟肼治疗的肺结核病人群体中外周神经副
作用症状与病人异烟肼母体化合物血清浓度直接有关，l957年人们发现根据异烟肼体内
清除速度可将人群分为两大类：快速乙酰化者和慢速乙酰化者，在以后的双生子以及家系
研究证明了上述分类的遗传学基础。有关的人群多态性现象在文献中曾被称为“异烟肼
乙酰化多态性”，-NiAN ，这是外源化学物质体内代谢多态性系统研究的开端。
在早期，人们曾将乙酰化反应的常见底物分为两大类：一类为“多态性(polymorphism)”
底物，包括异烟肼、磺胺二甲嘧啶、普鲁卡因酰胺、咖啡因，其体内清除过程与所谓的乙酰化
“快型”或“慢型”有联系，可用于个体乙酰化能力的鉴定试验；另一类为“单态性”底物，例如 对氨基苯甲酸和对氨基水杨酸，其乙酰化代谢过程与个体的乙酰化速率快慢无关，后来知道
所谓“多态性”底物主要为NAT2所催化，而“单态性’’底物主要由NATl 催化。地球上不同
的人种集团以及不同地域的居民人群间人群乙酰化表型多态性的频率有显著差异，美国人
种有50％是“慢型乙酰化者”，日本人群中只有5％～l0％，地中海沿岸人群(如埃及人) 则高
达90％，多年来我国学者对国内各地人群乙酰化多态性状况(主要在表现型水平上) 做过许
多调查工作，有报道说中国汉族人群中“慢性乙酰化者’’比率为19．9±4．0％(15．8％～
25·5％) ，17个主要少数民族中为20．6±12．9％(3．2％～50．6％) 。
文献中较早就将NAT2列为“多态性”，而NATl 一直被认为是“单态性”的。直到
1993年人们才开始注意到NATl 也可能具有多态性，目前可以确定NATl 基因有5种 [13]
图4—6 NATl基因的等位基因形态
p89
等位基因，包括一种野生形态NATl*4和5种突变型NATl*3、NATl*5、NATl*10、
NATl*11、NATl*17（图4-6)[14].
由于NAT1在结肠与膀胱等组织中的高表达，在与吸烟及芳香族胺类物质接触有关
的环境健康和职业医学研究中，必须对NAT1基因多态性的影响予以充分注意。1995年
Bell 报道了基因3’非编码区多聚腺苷酸信号区的多态性（现命名为NAT1*10）。并发现
NATl* 10等位基因型态携带者结肠和膀胱中NAT1酶对氨基苯甲酸的活性比野生型
的NATl*4要高两倍，有可能由于poly A信号的改变使得其mRNA 的稳定性较野生型
NAT1*4基因产物大大提高。英国一个202人的结肠癌患者（对照人群112人）群体中
发现NAT* 10基因型携带者结肠癌风险显著增加(R01)=1.9)。而NAT2快型有关的
基因型不是一个显著风险因子，他们同时又发现在NAI2快型基因型携带者中，NAT1”
10的风险程度更明显(Ro=2.8)，这提示NAT1和NAT2间可能存在基因一基因相互
关系。
NAT2基因变异等位基因的产生同样也是由于基因序列内几个“热点位点”核苷酸
变换，结果分别导致转录水平下降，翻译效率降低以及酶蛋白稳定性下降等。NAT2基
因序列内目前已经发现有9个突变位点（其中两个出
现频率很低）（表4-7）。这些突变位点的不同组合形
成了NAI2基因14个不同的突变等位基因(图
4 - 7)[14]。可以预见，新的等位基因形态还会不断报
道。在目前已肯定的等位基因形态中，有一些人群频
率实在很低，仅前8种等位基因就代表了人群中95%
以上个体。
表4-7 NAT2基因序列最常见的7个突变位点
主要在欧美地区高加索人群中进行的流行病学
研究结果表明：快代谢能力NAT2等位基因携带者患
结肠癌的风险大于慢代谢能力NAI2等位基因携带
者；膀胱癌的情况则正好相反。造成以上情况的原因
可能在于芳香胺和杂环胺在不同乙酰化能力个体体
内代谢倾向上的不同。慢性乙酰化代谢者由于NAT
p90
和CYP 之间的竞争比快性者在肝脏内产生更多的N 一羟基芳香胺中间代谢物，这些代
谢中间物可能以非结合状态或葡糖醛酸接合物的形式被输送到膀胱里，在膀胱里形成氮
烯离子，然后和DNA 共价结合生成加合物，这可以解释为什么慢代谢能力NAT2等位基
因携带者对膀胱癌高风险；对结肠癌来说，情况就不同了，导致结肠癌的主要化合物是杂
环胺，它本身对肝脏内NAT 而言不是一个非常合适的底物，但它又是CYP 的底物，后者
催化产物N 一羟基衍生物被转移到结肠后，再被NAT 催化形成。一乙酰化的致癌剂，因
此造成快代谢能力NAT 等位基因携带者结肠癌罹病的风险较高。Cartwright 等和
Hanssen 等相继报道欧美人群中膀胱癌患者中N 一乙酰化慢型者比率较高，Hayes 等利用
从我国天津、上海等地收集的人群材料在美国进行的分析工作中发现，中国联苯胺接触人
群中，NAT2慢型基因型和表现型与膀胱癌风险都没有关联，这一结果引起了各方面广泛
的兴趣。
有报道说胎盘中NATl 与NAT2间存在连锁不平衡(1inkage disequilibrium)，
**NATl 10如与NAT24基因型同时出现的频率比期望值要高3．5倍。
第五节 外源物质与基因以及基因与基因的相互关系
一、外源物质与基因的相互关系
包括遗传毒物在内的外源化合物和代谢酶基因的相互关系不仅在于代谢酶基因产物
能催化外源化合物的代谢，同时外源化合物和一些内源物质也参与代谢酶基因的表达以
及对基因产物活力的调制(modulation)。调制作用基本上有以下4种机制：
1．基因表达的诱导(induction of gene expression)
基因表达的诱导是4种机制中研究最多的一种。底物诱导作用的存在可以保证生物
体以“要时才生产”这一最经济有效的方式来满足应付复杂的化学外环境以及内环境的需
要。诱导过程往往并不仅限于提高一种酶基因的表达效率，而是一组酶的基因表达效率
提高。从生物化学的严格意义上来说，诱导作用的定义应该限定于“通过加强核内转录过
程的速率”，但在毒理学实践上被赋予了更广泛的内涵，一切最终导致靶组织中酶蛋白量
增加的过程，包括提高酶蛋白和mRNA 在细胞内的稳定性在内的作用过程都被归入诱导
的内容。
苯巴比妥和3一甲基胆蒽是两个最经典的诱导剂，它们对代谢酶基因的选择性诱导
在代谢酶家族同工酶的研究中起过重要的作用。现在已知有许多环境化学物质的诱导机
制分别与苯巴比妥和3一甲基胆蒽类同，可依据上述两个化合物为原型归为两大组，归入
苯巴比妥组的物质都是疏水物质，包括许多药物和农药，诱导谱主要为CYP28、2C 、3A
亚家族成员基因，某些GST 和UGT 基因以及mEH 和CYP450氧化还原酶基因；归入
3一甲基胆蒽组的多是一些平面型的疏水物质，包括2，3，7，8一TCDD 、苯并芘、3，3ˊ，4， 4ˊ-四氯联苯等，诱导谱主要涵盖CYPl 家族的CYPIAl 、1A2、181以及GSTAl 、
UGTl *06基因。其他一些应用较广泛的诱导剂包括：①合成甾体类化合物；②有机溶剂
乙醇和丙酮；③某些抗氧化剂，如丁基化羟基甲苯。
p91
大多数诱导过程发生在肝脏里，但也不尽然，在肾脏、肠道、皮肤等器官中也可能发
生。诱导过程是经常讲的药物一药物，食物一药物，环境物质一药物，体内内分泌系统一
药物等一系列外源和内源化学物质相互关系的重要基础之一。
2．基因表达的阻遏(repression of gene expression)
基因表达的阻遏和上述的诱导过程正好相反，造成对有关代谢酶基因表达的关闭
(turn off)或速率下调(turn down)。阻遏作用受到的研究关注远不如诱导作用。在体内
白介素113、白介素6和干扰素可以显著下调一些CYP 超家族基因的表达，这就是为什么
炎症可能影响对外源化学物的代谢能力，甚至导致整个代谢局面改变的机制之一。有时
候同一化学物质在诱导一组基因表达的同时，也阻遏了另一组基因的表达。
3．酶活性的抑制(inhibition of en’zyme activities)
酶活性的抑制可能通过两种不同的机制实现：一种是抑制剂分子和酶蛋白的直接结
合，这可能只会对某一同工酶活性造成影响；N 一种是NNN 性表现必需的辅助因子的剥
夺，这可能影响到整整一类酶的活性。
4．酶活性的激活(activation of enzyme activities)
在遗传毒性物质体内代谢过程研究中，甚至扩展到整个外源化学物质体内代谢酶的
研究中，遗传毒物对代谢酶激活作用的报道目前还不多。
二、外源物质代谢酶之间的相互关系
在上面的叙述中，为了说明问题方便，我们采用了每一个酶分开介绍的方法来说明它
们在遗传毒物代谢过程中的作用，叙述每一种等位基因形态对代谢能力的可能影响，实际
上任何外源物质的体内代谢都是一个多步骤、多方位过程，每个化合物的代谢都要求多种
酶的参与。有关的代谢酶之间存在错综复杂的相互关系，大致可归为以下几种类型：
1)高度有序的“流水作业”型关系。例如进入体内的苯并芘首先被CYP 酶催化氧化
为7，8一环氧化苯并芘，mEH 酶水解生成7，8一二羟基苯并芘，后者在CYP 酶的进一步
催化下，生成具有极高致突变能力的7，8一二羟基9，10一环氧苯并芘，这个产物最后可在
GST 酶作用下结合减毒。相似的情况也可能发生在黄曲霉毒素BI(AFBl)的体内代谢过
程中，但是对AFBl 来说，情况可能要复杂一些，在同属CYP 基因超家族不同基因产物的
催化下，可以有几种不同的氧化产物，而只有一种产物(AFBl一外一8，9一环氧化物) 具有
致癌性。
2)“武林高手，狭路相逢”式的竞争关系，不同的代谢酶在同一作用点上直接竞争同
一底物。例如NAT 酶和CYP 酶竞争芳香胺或杂环胺的代谢，在这种情况下，还意味着结
果是代谢活化还是代谢减毒的竞争。
3)以“楼上楼下，各自过日子”的形式在不同层面上参与由同一化合物出发的代谢，
反应各不相同，针对的底物也各不相同。例如NAT 酶和GST 酶都参与芳香族胺和杂环
胺的减毒代谢反应，NAT 酶以母体化合物为底物进行乙酰基结合反应，而GST 酶则以代
p92
谢中间产物为底物进行谷胱甘肽结合反应。
4)以“兄弟姐妹，同心协力”的形式，属于同一基因家族或超家族成员基因产物的多
种同工酶参与同一化合物或同一中间代谢物的代谢。
由于以上原因，在有关代谢酶基因多态性和有害健康危害风险工作中，必须进行综合
研究，尽可能将与代谢全过程有关的所有基因多态性一起进行分析，因此研究所需对象人
群的规模也就大大增加了，特别是与有几个人群频率较低的等位基因同时有关时，为了保
证研究结果有足够的统计显著性，目标人群将会非常之大。
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