砷代谢与砷毒性作用机制的关系

砷代谢与砷毒性作用机制的关系

李景岩1，张爱君2

1．白城师范学院高教研究室，吉林137000；2．吉林省地方病第一防治研究所中图分类号：R599．9文献标识码：A文章编号：1001－1889（2011）05－0345－03

砷是一种类金属元素，多以化合物的形式存在，对人体和动物具有毒性作用，但其毒作用机制尚不清楚，目前已知砷的毒性取决于其体内形态和氧化还原状态［1］。砷暴露者尿液中含有无机砷（iAs），包括三价砷（iAs3+）和五价砷（iAs5+）占10% 30%，一甲基砷酸（MMA）占10% 20%，二甲基砷酸（DMA）占60% 80%，如果食用海产品还会有部分三甲基砷氧化物（TMAO）经尿排出［2］。无机砷在体内经过甲基化代谢过程可转化为易溶于水的MMA和DMA，大部分迅速随尿排出，少部分则在毛发、指甲中蓄积下来。砷的甲基化代谢水平与体内各形态砷的相对比例、砷排泄效率及其蓄积程度直接相关［3］。因此，探讨体内砷代谢产物的形态、种类和比例，对于揭示砷的毒作用机制具有十分重要的意义。

1儿童砷的甲基化水平

有研究表明，不同人群对砷的甲基化代谢水平存在差异，但这些报道仅从外暴露水平对群体砷甲基化代谢水平影响的角度进行了探讨，而未就个体内暴露水平对砷甲基化代谢水平的影响进行深入研究。研究砷暴露人群体内砷甲基化水平与个体内暴露水平之间的关系，对于进一步理解砷中毒的发病机制以及个体间砷中毒易感性的差异具有重要意义。徐苑苑等［4］对内蒙古地区部分村民的尿砷代谢产物进行测定，分析3种形态尿砷代谢产物，即iAs、MMA、DMA在不同人群中的分布特点，结果显示，在相同暴露水平下，组内男女间尿中不同形态砷和总砷的含量以及甲基化能力无差别。在相同砷暴露水平下，儿童与成人相比，DMA/MMA和DMA%较高，提示儿童的二甲基化能力高于成人。在砷的各种代谢产物中MMA3+毒性最强，因此，儿童二甲基化能力较强可能是同样砷暴露条件下发病率少于成人的原因之一。与成人相比，高暴露组儿童尿中各形态砷和总砷含量较低，而低暴露组儿童尿中各形态砷和总砷含量较高。这可能是由于2组暴露水平不同，具体原因有待进一步探讨。2个暴露组与对照组比较，甲基化能力显著降低，说明慢性砷暴露可能会降低机体对砷的甲基化能力。可能是因为无

通讯作者：李景岩，E－mail：ljy_1956@163．com 机砷对甲基化的抑制作用，也可能是因为甲基化过程中，某些反应因子，如S－腺苷甲硫氨酸（SAM）或还原性谷胱甘肽（GSH）受损。同时高暴露组儿童的甲基化能力较低暴露组高，提示在一定砷暴露水平下，儿童的甲基化能力可能随暴露水平的升高而增强。

苏丽琴等［5］探讨了砷暴露人群总尿砷（TAs）浓度与砷甲基化代谢水平间的相互关系，结果在相同外环境条件下，儿童TAs的内暴露水平低于成人，在相对低的暴露条件下，儿童与成人之间虽然总体甲基化水平未见明显差异，但儿童对砷的二甲基化水平高于成人，一甲基化水平低于成人，提示砷甲基化水平的差异可能与砷暴露水平的不同有关，儿童与成人对砷甲基化的能力也可能存在差异。进一步Spearman秩相关分析结果显示，儿童对砷的甲基化水平与砷暴露水平之间无相关，这可能与儿童砷暴露水平较低有关；而总体上，成人对砷的甲基化水平与砷暴露水平呈负相关，且在50岁 组砷的总体甲基化水平及一甲基化水平与砷暴露水平均呈负相关（P＜0．01）。这表明，在砷暴露水平相对较高的条件下，成人尿TAs水平与砷的总体甲基化水平（特别是一甲基化水平）有呈负相关的趋势，但年龄可能是这种相关趋势的混杂因素。提示砷暴露水平升高及相应砷甲基化水平的改变可能是砷中毒发病的基础之一。

2甲基化能力与DNA损伤

尿砷形态分析被广泛应用于评价机体的甲基化能力，DNA氧化损伤是砷导致健康效应的可能机制之一［6］。与慢性砷暴露相比，急性（亚急性）砷暴露较为罕见，因此，两者的比较研究资料（尤其是人群资料）十分有限。徐苑苑等［7］对2004年12月阜新市亚急性砷暴露人群和内蒙古高砷暴露区人群的尿中各形态砷的分布和8－羟基脱氧鸟苷（8－OHdG）水平进行了比较分析。结果当亚急性砷暴露时，机体对砷的甲基化能力显著下降，甲基化能力减弱的可能原因有：（1）摄入体内高剂量的砷致使甲基供体的大量消耗；（2）砷甲基化酶接近饱和；（3）在砷甲基化过程中起关键作用的GSH耗竭。本次调查结果还显示，慢性高砷暴露也可导致机体对砷的甲基化能力减弱。DNA氧化损伤程度在亚急性砷暴露人群中最高，在慢性低砷暴露

人群中最低，且不同类型砷暴露人群中均发现DNA氧化损伤与尿总砷水平呈正相关。这提示研究中砷暴露是导致DNA氧化损伤加重的主要原因。这种氧化损伤可随脱离砷暴露而减轻，甚至恢复正常，若持续砷暴露，DNA损伤则可能出现不断加重的趋势［8］。根据饮水量、水砷浓度推算，研究中亚急性砷暴露、慢性高砷和低砷暴露人群每人每日砷摄入量分别为24．25、1．2和0．1mg。机体对砷的甲基化能力可能随砷暴露剂量的升高而降低，而砷所致DNA氧化损伤则随砷暴露剂量的升高而加重。此外，尿中各形态砷分布表明，亚急性砷暴露人群和慢性砷暴露人群在砷甲基化模式上均存在较大的个体差异，因此在不同类型砷暴露人群中分析了临床症状和（或）DNA氧化损伤与砷甲基化模式之间的可能联系。在亚急性砷暴露人群中，未发现砷中毒临床症状或DNA氧化损伤与由尿砷分布所反映的砷甲基化模式之间存在相关性；在慢性砷暴露人群中，发现DNA氧化损伤与砷甲基化模式，尤其是尿中MMA%关系密切，提示慢性砷暴露人群砷甲基化模式与砷所致健康效应间可能存在联系。

3与甲基化有关的酶

Thomas等［9］认为，在已经确认的几个与砷甲基化有关的酶中，砷（+3）甲基转移酶（As3MT）在遗传学水平上是最有研究意义的一个基因。Drobná等［10］采用快速基因传递系统克隆了表达大鼠As3MT的细胞系（UROtsa/F35），结果发现人泌尿系上皮细胞中大鼠As3MT表达对无机砷甲基化能力和iAs3+与MMAⅢ的细胞毒性具有调控能力。李述刚等［11］采用实时荧光定量RT－PCR技术和AFS－SAPlO观察了饮水无机砷暴露下人外周血淋巴细胞中As3MT的表达与尿砷MMA%、DMA%、一甲基化指数（PMI）和二甲基化指数（SMI）之间的关系，从分子水平探讨无机砷在体内的甲基化过程，可见As3MT mRNA表达增高，其尿液中MMA%和PMI均有增高关系，MMA%和PMI均反应了砷的一甲基化能力，表明As3MT mRNA表达增高促进了砷一甲基化水平。这与Drobná等［12］对HepG2细胞里As3MT的shRNA沉没对砷甲基化能力影响进行研究报道的As3MT mRNA和蛋白水平分别降低83%和88%的结论相吻合。大量的研究都报道了As3MT基因多态性与砷甲基化产物及砷中毒的关系，而关于As3MT mRNA表达易感性报道较少。李述刚等［13］认为一甲基化或二甲基化水平的增高，使砷的代谢产物进行了更有效的甲基化作用，结果提示As3MT mRNA表达对砷甲基化能力具有明显的作用，砷中毒的发生和砷在体内甲基化的过程受到多基因的影响。

目前认为砷的代谢主要涉及氧化还原和甲基化过程，最新的砷代谢模式学说认为［14］，进入体内的一部分iAs先由iAs5+还原为iAs3+，随后iAs3+与GSH结合生成三谷胱甘肽砷复合物，再进行甲基化代谢。而自然界砷主要以iAs3+和iAs5+的化合物形式存在，iAs3+与胱氨酸或半胱氨酸的巯基（－SH）或含－SH的蛋白质紧密结合使其失去活性，从而影响体内代谢，最终产生毒性作用。有研究发现二氢尿嘧啶脱氢酶（NAD）能够促进iAs5+还原成iAs3+，而NADH则抑制iAs5+还原成iAs3+［15］。NAD是一种转递电子的辅酶，出现在细胞很多新陈代谢的反应中。NAD在糖酵解、糖异生、三羧酸循环和呼吸链中发挥着不可替代的作用，一旦高剂量砷降低了NAD的活力，则会抑制糖酵解过程，进而导致代谢紊乱，从而发挥毒性作用。刘冬梅等［16］研究表明，砷酸钠高剂量组的NAD低于对照组，说明iAs5+可能取代了NAD参与糖酵解途径中的无机磷（Pi），从而抑制了NAD的活性。而亚砷酸钠高剂量组的NAD与对照组间的差异无统计学意义，这表明高剂量iAs3+对NAD的活性无影响，提示高剂量iAs5+和iAs3+在体内的代谢途径不完全相同。亚砷酸钠各剂量组间比较，高、中剂量组的NAD含量均低于低剂量组（P＜0．05），显示较低剂量的iAs3+能促进NAD的活力，这可能是低剂量的iAs3+能被NADH氧化成iAs5+，而此过程NADH脱氢产生了NAD。亚砷酸钠和砷酸钠同一剂量组比较，亚砷酸钠高剂量组的NAD含量高于砷酸钠高剂量组（P＜0．05），这表明高剂量的iAs5+比iAs3+更能抑制还原酶NAD的活性，可能iAs5+剂量达到一定的浓度会取代了NAD中的Pi所致，也可能是iAs5+取代了参与糖酵解的游离态Pi，在糖酵解过程中高剂量的iAs5+消耗了大量的NAD，从而使其含量降低；而亚砷酸钠中剂量组的NAD含量低于砷酸钠中剂量组（P＜0．05），表明一定量的iAs5+反而能促进NAD的活力，可能是机体在一定量iAs5+的作用下体内就适应性的增加NAD，促进iAs5+还原成iAs3+。这也进一步表明体内NAD在低剂量染砷条件下主要表现为iAs5+的还原作用，而在高剂量染砷条件下主要表现为iAs5+还原的抑制作用。砷酸钠在高、中剂量染毒条件下分别表现为对NAD活性的抑制和促进，染毒剂量的不同直接影响体内生物有效剂量以及砷代谢产物的形态和体内分布，从而发挥不同的毒效应。Engstrom 等［17］认为谷胱甘肽－S－转移酶（GST）能还原所有的五价砷（iAs5+，MMA5+和DMA5+）。

4砷代谢与其毒性作用间的关系

相关研究表明，iAs5+在机体内被还原成iAs3+再进行甲基化代谢，而砷在体内的活性代谢产物（如DMA