环境致癌物通过加剧内源性诱变过程促进肿瘤发生的机制研究

本研究揭示了环境致癌物通过放大内源性诱变过程而非引发独特突变事件来促进肿瘤发生的机制。研究人员通过对B6C3F1/N小鼠肝细胞癌(HCC)进行全外显子测序(WES)，比较了自发性和10种致癌物诱导肿瘤的突变特征，发现溴氯乙酸(BCA)和溴二氯乙酸(BDCA)等消毒副产物具有剂量依赖性突变负荷和独特特征(mSBS12/mSBS25)，而多数致癌物通过加剧内源性nCg→nTg等诱变过程发挥作用。该研究为环境致癌物风险评估提供了重要分子依据，发表于《Cell Reports》。

　　

肝癌是全球癌症相关死亡的第四大原因，其发生发展与多种环境因素密切相关。尽管乙肝病毒、黄曲霉毒素等部分致癌物的作用机制已被阐明，但大多数环境化学物质的致癌风险评估仍面临挑战。传统毒理学将化学致癌物简单分为基因毒性(GTX)和非基因毒性(NGTX)两类，前者被认为无安全阈值而后者假定存在作用阈值，这种分类是否准确反映实际致癌机制？不同剂量下致癌物的作用模式是否会发生变化？这些问题对化学品安全评估具有重要指导意义。

美国国家环境健康科学研究所(NIEHS)的研究团队在《Cell Reports》发表了一项突破性研究。通过对B6C3F1/N小鼠模型进行系统性分析，研究人员比较了自发性和10种潜在人类致癌物诱导的肝细胞癌(HCC)的突变特征。研究选取了4种GTX化学物(BCA、BDCA、银杏提取物GBE和扑米酮PM)和6种NGTX化学物，采用全外显子测序技术分析131例雄性小鼠HCC样本（包括化学诱导和自发肿瘤）及30例雌性自发肿瘤对照。研究创新性地结合突变特征分析和三核苷酸突变模体富集分析，揭示了环境致癌物作用的新机制。

关键技术方法包括：从NTP组织库获取B6C3F1/N小鼠新鲜冷冻肿瘤样本；使用SureSelect Mouse Exome kit进行全外显子捕获和Illumina HiSeq 2500测序；通过Mutect2和GATK流程进行体细胞变异检测；采用HDP算法提取de novo突变特征；运用P-MACD管道分析三核苷酸突变模体(aTn→aCn和nCg→nTg)的富集程度；通过dNdScv方法鉴定驱动基因。

突变负荷分析显示GTX致癌物的剂量阈值效应

研究发现，与自发肿瘤相比，仅BCA和BDCA暴露组HCC表现出显著升高的突变负荷(p<0.05)，且BDCA高剂量组6个肿瘤的突变数量明显多于低剂量组4个肿瘤。值得注意的是，其余8种化学物（包括GTX类的GBE和PM）诱导的肿瘤突变负荷与自发肿瘤无差异，表明多数环境致癌物在慢性暴露条件下并不增加总体突变负担。这一发现挑战了传统GTX致癌物"无阈值"的假设，提示某些GTX化学物在低剂量下可能通过NGTX机制发挥作用。

特定化学物诱导知识定义的突变模体

通过P-MACD分析发现，所有样本均存在内源性nCg→nTg（反映甲基化胞嘧啶自发脱氨基）模体的突变负荷，且与化学暴露无关。相反，化学诱变特征性aTn→aCn（反映腺嘌呤碱基损伤）模体仅在BCA、BDCA和低剂量DE-71组中呈现剂量依赖性升高。这种特异性关联为区分外源性和内源性诱变过程提供了分子标志。

突变特征揭示致癌物特异性模式

de novo特征提取鉴定出5个小鼠特征(msig1-5)，其中mSBS12(类似COSMIC SBS12)和mSBS25(类似SBS25)分别为BCA和BDCA特有，完全不存在于自发肿瘤中。引人注目的是，高剂量BDCA诱导的6个HCC具有独特的T>A主导突变谱(46%-64%)，而低剂量BDCA组的4个HCC突变谱则与自发肿瘤相似，再次支持剂量决定作用模式的假说。多数化学诱导和自发HCC共享mSBS5（时钟样特征），表明它们主要放大而非取代内源性诱变过程。

小鼠特征与人类癌症的关联

通过分析4,645例人类肿瘤全基因组和19,184例全外显子数据，发现mSBS12和mSBS25与人类肝癌显著相关。特别是mSBS12在20%人类HCC中存在，而BDCA相关的mSBS25与化疗药物特征相似。这些跨物种关联为理解人类癌症环境病因提供了重要线索。

驱动基因的性别差异

CTNNB1等已知驱动基因在化学诱导和自发HCC中均有检出。有趣的是，Flg2、Sfr1和Muc4等基因以及mSBS3特征显示出性别特异性，提示肿瘤发生存在性别差异的分子基础。

这项研究通过创新性地整合突变特征分析和模体富集方法，揭示了环境致癌物作用的新范式：大多数化学物质通过放大内源性诱变过程（如mSBS5相关的时钟样突变）促进肿瘤发生，而非产生独特突变事件。研究发现具有重要监管意义：首先，某些GTX致癌物（如BDCA）在高剂量表现为基因毒性，而在低剂量可能通过非基因毒性机制发挥作用，支持剂量阈值概念；其次，BCA相关的mSBS12特征与20%人类HCC的关联，为饮用水消毒副产物的潜在风险提供了分子证据；最后，研究建立的实验体系为解析COSMIC数据库中未知病因的突变特征（如SBS12和SBS25）提供了模型系统。

该研究的局限性包括缺乏个体匹配的基因组对照和时程样本，这可能影响突变检测的准确性和机制因果关系的建立。未来研究可通过全基因组测序和暴露动态监测进一步验证这些发现。总的来说，这项工作为环境致癌物的风险评估提供了分子基础，对化学品安全评价和政策制定具有重要指导价值。