致癌性卤代醌和过氧化氢诱导DNA氧化损伤的机理研究

Now we're more and more concerned about the genotoxicity induced by environmental pollutants. But the genotoxicity of most environmental pollutants remains poorly understood. Pentachlorophenol (PCP) was primarily used for wood preservation. PCP is a potent carcinogen and its genotoxicity has been attributed to its major quinoid metabolite: tetrachloro-1,4-benzoquinone (TCBQ). More recently, several polyhalogenated quinones, which are suspected bladder carcinogens, were identified as new chlorination disinfection byproducts in drinking water. We found that halogenated quinones and H2O2 can produce the highly reactive hydroxyl radical (oOH) independent of transition metal ions. This novel mechanism of oOH formation could partly explain the genotoxicity of PCP and other polyhalogenated aromatic compounds. However, many questions still need to be addressed. For example: what damage can be caused to DNA by halogenated quinones mediated Fenton-like reaction? What is the molecular mechanism underlying DNA oxidation? Compared to the classic Fenton reaction, what are the similarities and differences on induced DNA damage? In this study, we plan to investigate the oxidation of 5-methyl-2'-deoxycytidine and 2'-deoxyguanosine by halogenated quinones and H2O2. Further study will be extended to double-stranded DNA and cells. This work will help us better understand how the reactive oxygen species generated by the redox cycling of halogenated quinones contribute to their genotoxicity in cells. This study will provide us new methods for evaluating the genotoxicity of other environmental pollutants.

目前我们对环境污染物基因毒性的认识还很有限，至今仍有大量污染物的基因毒性未知。四氯苯醌是广泛使用的木材保护剂五氯酚的主要致癌性代谢物。三氯苯醌最近被确定为消毒水副产物，很可能与消毒水引起肾癌有关。之前研究表明四氯苯醌、三氯苯醌等卤代醌与H2O2反应可产生oOH，此过程不依赖于金属离子的存在。这种新颖的oOH产生机制可部分解释五氯酚及其它卤代芳香化合物的基因毒性。然而，目前尚不知这种卤代醌介导的新型有机类Fenton反应会对DNA造成哪些损伤？其分子作用机制又如何？此外，与铁离子介导的经典Fenton反应比较，有什么相同和不同处？因此，在本课题中我们计划用四氯苯醌、三氯苯醌等卤代醌对5-甲基胞嘧啶和鸟嘌呤的氧化损伤机制进行深入探讨，在此基础上，尝试扩展到双链DNA和细胞体系。有望深入理解其基因毒性作用机理，并建立一套针对环境污染物基因毒性的研究方法和评价体系。

目前我们对环境污染物基因毒性的认识还很有限，至今仍有大量污染物的基因毒性未知。四氯苯醌（TCBQ）是广泛使用的木材保护剂五氯酚的主要致癌性代谢物。三氯苯醌最近被确定为消毒水副产物，很可能与消毒水引起膀胱癌有关。之前研究表明四氯苯醌、三氯苯醌等卤代醌与H2O2反应可产生•OH，这种新颖的•OH产生机制可部分解释五氯酚及其它卤代芳香化合物的基因毒性。5-甲基胞嘧啶(5mC)是哺乳动物基因组中普遍存在的DNA内源修饰形式被称为第五种碱基。通过本项目的研究发现TCBQ和H2O2可以把5-甲基胞嘧啶氧化成5-胞嘧啶甲基氢过氧化物、5-羟甲基胞嘧啶和5-胞嘧啶甲酰。这三种氧化产物在有•OH清除剂存在条件下被显著抑制。在无氧条件下，5mC的氧化产物明显减少。在其它卤代醌或经典Fenton反应中可以得到相似的结果。在实验基础上我们提出了5-甲基胞嘧啶被TCBQ/H2O2氧化可能的反应机理：TCBQ和H2O2反应生成的•OH可以夺取5-甲基胞嘧啶甲基上的氢生成相应的自由基，与氧气结合后生成对应的氢过氧化物5-过氧化氢甲基胞嘧啶（5HpmC）；这种氢过氧化物可能与TCBQ发生亲核取代生成中间体；该中间体均裂后生成自由基；经过歧化反应生成5-羟甲基胞嘧啶（5HmC）和5-甲酰胞嘧啶（5fC）。在组成DNA的四种天然碱基中，鸟嘌呤是最容易被氧化。经过实验，我们发现TCBQ和H2O2不仅把2’-脱氧鸟苷dG氧化成8oxodG还有新的氧化产物2-amino-5-[(2-deoxy-β-D-erythro-pentofuranosyl)amino]-4H- imidazol-4-one (dIz)生成。dIz可以被典型自由基捕获剂显著抑制。通过与其它卤代醌体系以及金属离子诱导体系相比，我们推测TCBQ和H2O2反应生成的醌氧自由基可能在Iz的生成中起到重要作用。通过18O2实验证实dIz上的O来自O2。结合上述实验结果和文献，我们提出了鸟嘌呤被TCBQ/H2O2氧化可能的反应机理：TCBQ和H2O2反应生成的醌氧自由基可能夺取鸟嘌呤上的氢生成相应的自由基，与氧气结合后生成的氢过氧化物中间体经过重排后生成Iz。本课题的研究不仅了解了四氯苯醌等卤代醌对5-甲基胞嘧啶和鸟嘌呤的碱基氧化作用机制，而且为研究其它相关的多氯酚、消毒水副产物等环境污染物可能的基因毒性效应及健康评价提供了一定的理论和实验基础。