毒理學(xué)第七章 化學(xué)物致突變作用11

第7章外源化學(xué)物致突變作用主講教師：陳華

email:gwyb2@本章節(jié)主要內(nèi)容化學(xué)物致突變作用相關(guān)概念

致突變的類型

致突變作用的機(jī)制及后果

機(jī)體對(duì)致突變作用的影響

觀察致突變作用的基本方法

1遺傳(genetics)

生物物種以相對(duì)穩(wěn)定的生命形式和性狀存在于自然界，通過各種繁殖方式來保證世代間生命延續(xù)的過程。第一節(jié)相關(guān)概念2變異(variation)

同一物種在親子之間或子代個(gè)體之間出現(xiàn)的種種差異。產(chǎn)生變異的原因有:1)親代個(gè)體雜交產(chǎn)生子體,由于重組而發(fā)生;2)由于基因突變而發(fā)生,它是新基因產(chǎn)生的根本來源;3)由于生物的染色體組成或細(xì)胞質(zhì)發(fā)生變化而產(chǎn)生。

3突變(mutation)

遺傳結(jié)構(gòu)本身的變化及引起的變異。即可遺傳的變異。自發(fā)突變(spontaneousmutation)在自然遺傳過程中發(fā)生的突變。概率極低，與物種進(jìn)化有密切關(guān)系。誘發(fā)突變(inducedmutation)人為或受外來因素誘發(fā)的突變，視為一種對(duì)機(jī)體的損害作用。4致突變作用(mutagenesis)

狹義概念，指突變的發(fā)生及其過程。廣義概念，指外來因素,特別是化學(xué)因子引起細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)發(fā)生改變的能力,而且此種改變可隨同細(xì)胞分裂過程而傳遞。致突變作用的后果是突變。能夠引起突變的物質(zhì)稱為致突變物(mutagen)。5遺傳毒性(genetictoxicity)

指對(duì)基因組的損害能力,包括對(duì)基因組的毒作用引起的致突變性及其他各種不同效應(yīng).

致突變性指引起遺傳物質(zhì)發(fā)生突變的能力。6遺傳毒理學(xué)(genetictoxicology)

研究外源化學(xué)物和其它環(huán)境因素對(duì)生物體遺傳結(jié)構(gòu)的損害作用及其作用規(guī)律,應(yīng)用檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和探究致突變物,提出評(píng)價(jià)致突變物健康危害的方法。7DNADNA是大分子物質(zhì),由脫氧核糖、磷酸及堿基組成,其基本成分為四種核苷酸,形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

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基因(gene)

基因是DNA分子中最小的完整功能單位。基因的基本作用在于決定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),即每個(gè)基因決定一條多肽鏈或者說一個(gè)基因決定一種酶。基因是生物遺傳信息的攜帶者,細(xì)胞或生物體的一套完整單體的遺傳物質(zhì)稱基因組(genome)。UAAUGAUAG第二節(jié)化學(xué)毒物致突變的類型

根據(jù)DNA改變牽涉范圍的大小,致突變作用主要引起兩類遺傳學(xué)損傷:基因突變和染色體損傷(染色體畸變;染色體數(shù)目改變)?；蛲蛔儭⑷旧w畸變及染色體數(shù)目變化的本質(zhì)是相同的,其區(qū)別在于受損程度。通常以光學(xué)顯微鏡的分辨率0.2um來區(qū)分基因突變和染色體損傷。

FormationofMutation

GeneMutationsChromosomalMutations1.表型改變檢測2.DNA序列改變檢測一.基因突變

基因突變

(genemutations)指基因中DNA序列的變化，即遺傳物質(zhì)在分子水平上的改變。因基因突變限制于DNA分子序列的某一特定部位,故稱為點(diǎn)突變(pointmutation)。基因突變的類型有兩類,分別是堿基置換和移碼突變。

1.堿基置換

堿基置換(basesubstitution)指以另一種堿基替代了原來的堿基。是因某一堿基配對(duì)性能改變或脫落所致的突變。堿基置換又分為轉(zhuǎn)換(transition)和顛換(transversion)。

DNA的一對(duì)堿基(如G:C)被另一對(duì)堿基(如A:T)所取代,如果是嘌呤置換另一嘌呤,或者是嘧啶換另一嘧啶稱轉(zhuǎn)換；如果是嘧啶換成嘌呤,或者嘌呤換成嘧啶稱顛換?！璗TAGGGGACGCGCATGAA……AATCCCCTGCTGGTACTT……TTAGGGGACGCGCATTAA……AATCCCCTGCTCGTAATT……TTAGGGGACGCGCATGAA……AATCCCCTGCTCGTACTT……TTAGAGGACGCGCATGAA……AATCTCCTGCTCGTACTT……TTAGGGGACGCGCATGAA……AATCCCCTGCTCGTACTT…G：C→A：TtransitionG：C→T：Atransversion終止密碼錯(cuò)義密碼nonsensemutationmissensemutation堿基置換圖transitiontransversion2.移碼突變

移碼突變(frame-shiftmutation)指發(fā)生一對(duì)或幾對(duì)(3對(duì)除外)的堿基減少或增加,以致從受損點(diǎn)開始?jí)A基序列完全改變,形成錯(cuò)誤的密碼,并轉(zhuǎn)譯成為不正常的氨基酸。

…TTAGGGGACGCGCATGAA……AATCCCCTGCGCGTACTT…GC…TTAGGGGGACGCGCATGAA……AATCCCCCTGCTCGTACTT……TTAGGGGACGCGCATGAA……AATCCCCTGCGCGTACTT……TTAGGGGACGCATGAA……AATCCCCTGCGTACTT…錯(cuò)義密碼終止密碼終止密碼錯(cuò)義密碼nonsensemutationmissensemutation移碼突變圖+1移動(dòng)碼突變-2移碼突變二.染色體畸變

染色體畸變(chromosomeaberration)指染色體的結(jié)構(gòu)改變,它是指遺傳物質(zhì)大的改變,一般可用光學(xué)顯微鏡檢查適當(dāng)細(xì)胞有絲分裂中期的染色體來發(fā)現(xiàn)。

染色體結(jié)構(gòu)異常的原因是由于染色體或染色體單體受損而發(fā)生斷裂，且斷端不發(fā)生重接或雖重接卻不在原處。可分為染色單體型畸變(chromatid-typeaberration)

染色體型畸變(chromosome-typeaberration)。

ChromosomalMutationsChromosomeAberration染色體結(jié)構(gòu)NumericalAberration染色體數(shù)目Chromatid-typeaberrationChromosome-typeaberrationaneuploideuploidmonosome,trisometripoid,tetropoid常見染色體結(jié)構(gòu)異常的類型:1)缺失(deletion)

染色體上丟失了一個(gè)片段。2)重復(fù)(duplication)

在一套染色體里,一個(gè)染色體片段出現(xiàn)不止一次。3)倒位(inversion)

一個(gè)染色體片段被顛倒了。顛倒的片段包括著絲點(diǎn),稱為臂間倒位(pericentricinversion)

不包括著絲點(diǎn)則稱為臂內(nèi)倒位(paracentricinversion)4)易位(translocation)

一個(gè)染色體片段的位置發(fā)生改變。最常見的是相互易位(reciprocal)，涉及兩個(gè)非同源染色體片段的交換。

穩(wěn)定的染色體畸變,如缺失、倒位、重復(fù)及平衡易位等,多數(shù)為染色體重排,可在機(jī)體或細(xì)胞群傳遞,形成突變細(xì)胞。不穩(wěn)定的畸變。如無中心粒的片段,雙中心粒染色體,環(huán)狀染色體及各種其它不對(duì)稱重排等,通常由于他們喪失了重要的遺傳物質(zhì)或有絲分裂的機(jī)械障礙導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

三．染色體數(shù)目改變指染色體數(shù)量的增加或減少。分為非整倍體和多倍體。物種體細(xì)胞（2n)性細(xì)胞（n)人4623大鼠4221小鼠4020貓3819兔4422狗7839表1不同物種動(dòng)物的染色體數(shù)目非整倍體(aneuploidy)

指增加或減少一條或幾條染色體。例如,Down氏綜合征,由21染色體三體(trisome21)所致,它多了一條染色體,有三條21染色體,染色體數(shù)目為47條,即該病由非整倍體所引起。

三體，2n+1,47trisome21二體，2n,46Downsyndrometrisome21多倍體(polyploidy)

指染色體數(shù)目成倍增加。如人類體細(xì)胞正常為二倍體(2n),有46條染色體。如果有69條染色體,則定義為多倍體,此為三倍體。二倍體，diploid,2n,46四倍體，tetroploid,4n,96第三節(jié)

化學(xué)毒物致突變作用的

機(jī)理及后果

一.引起突變的DNA變化(一)堿基損傷1.堿基錯(cuò)配2.平面大分子嵌入DNA鏈3.堿基類似物取代4.堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)改變或破壞

一.引起突變的DNA變化(二)

DNA鏈?zhǔn)軗p1.二聚體的形成2.DNA加合物形成3.DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物(DNA-proteincrosslinks,DPC)形成TypesofDNAdamageGene,250:15-30,2000

二.引起突變的細(xì)胞分裂

過程的改變1.與微管蛋白二聚體結(jié)合2.與微管上的巰基結(jié)合3.已組裝好的微管的破壞4.中心粒移動(dòng)受阻5.其它作用

三.其它的改變1.影響復(fù)制有關(guān)的酶類及組蛋白和非組蛋白2.影響DNA修復(fù)

四、突變的后果突變的后果,取決于化學(xué)毒物所作用的靶細(xì)胞是生殖細(xì)胞,還是體細(xì)胞。如是體細(xì)胞,其影響僅能在直接接觸該物質(zhì)的個(gè)體身上表現(xiàn)來,而不可能遺傳到下一代;如是生殖細(xì)胞,其影響才有可能遺傳到下一代。

四.突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變1、引起許多按孟德爾定律遺傳的疾病。在新生兒遺傳病中,約有1.3%為常染色體顯性遺傳病,0.25%為常染色體隱性遺傳病及0.05%與性染色體遺傳有關(guān)。實(shí)例：鏈形細(xì)胞貧血正常人血紅蛋白（HbA）β鏈N端第六位上的氨基酸為谷氨酸；鏈形細(xì)胞貧血患者血紅蛋白（HbS）此位的氨基酸變?yōu)槔i氨酸。原因是其密碼子由GAA突變?yōu)镚UA。實(shí)例：白化病，是由于基因突變，導(dǎo)致體內(nèi)的黑色素或黑色素體生物合成缺陷，從而表現(xiàn)為皮膚、眼睛、毛發(fā)色素缺乏的一種遺傳病。四、突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變2、引起人類許多復(fù)雜病因的疾病（遺傳因素起著部分作用）。即增加下一代基因庫(genepool)的遺傳負(fù)荷(geneticload)。四、突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變基因庫指某一物種在特定時(shí)期中能將遺傳信息傳至下一代的處于生育年齡的群體所含有的基因總和。遺傳負(fù)荷指一種物種的群體中每一個(gè)攜帶的可遺傳給下一代的有害基因的平均水平。四、突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變3、造成生殖障礙胚胎死亡、畸胎、胚胎功能不全、生長遲緩。四、突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變又分為顯性突變：遺傳性疾病、生殖障礙、死亡顯性致死突變使精子不能受精,或合子在著床前死亡或著床后早期胚胎死亡。四、突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變隱性突變：遺傳性疾病或攜帶、生殖障礙、死亡。隱性致死突變需純合子或半合子才能出現(xiàn)遺傳疾病或死亡。四、突變的后果(一)生殖細(xì)胞突變非致死性突變:顯性遺傳將造成下一代遺傳病發(fā)生率增加或新病種出現(xiàn);隱性遺傳則增加下一代基因庫的遺傳負(fù)荷。致死性與非致死性突變所致后果,對(duì)人類健康的意義是不同的,致死性突變將導(dǎo)致死胎,它影響后代的數(shù)量而非質(zhì)量.非致死性突變主要影響后代的質(zhì)量。

四、突變的后果(二)體細(xì)胞突變體細(xì)胞突變后果：腫瘤、衰老、動(dòng)脈粥樣硬化、致畸突變在腫瘤發(fā)生過程中中心作用的重要證據(jù)是來自于癌基因和抑癌基因突變的分子生物學(xué)研究。腫瘤發(fā)生涉及癌基因的活化和抑癌基因的失活。腫瘤從本質(zhì)上講是基因病。原癌基因、癌基因、腫瘤抑制基因、凋亡調(diào)節(jié)基因以及DNA修復(fù)基因，如果發(fā)生異常改變，則可引起腫瘤的發(fā)生第四節(jié)機(jī)體對(duì)致突變作用的影響

機(jī)體保證遺傳穩(wěn)定性的機(jī)制：1)DNA執(zhí)行高保真度的復(fù)制,對(duì)復(fù)制中的錯(cuò)誤能及時(shí)糾正,即通過修復(fù)而達(dá)到高度保真;2)機(jī)體已進(jìn)化有多種機(jī)制修復(fù)DNA損傷,以保護(hù)親代DNA鏈,使其免受化學(xué)毒物的作用而發(fā)生改變。機(jī)體修復(fù)DNA損傷的機(jī)理可分為兩大類:損傷耐受機(jī)理和修復(fù)機(jī)理。損傷耐受指DNA遺傳可繞過那些阻止DNA復(fù)制的DNA損傷。DNA修復(fù)分為直接修復(fù)和切除修復(fù).直接修復(fù)指引起DNA損傷的反應(yīng)為可逆性的,如光修復(fù)。切除修復(fù)指將損傷或不正確的堿基去除和替換,如核苷酸去除,它是負(fù)責(zé)較大范圍損傷的修復(fù)。

一.DNA損傷的修復(fù)1.直接修復(fù)直接修復(fù)存在多數(shù)生物體內(nèi)，主要依賴酶作用，如光裂合酶和烷基轉(zhuǎn)移酶。光復(fù)活主要是針對(duì)紫外線損傷產(chǎn)生的胸腺嘧啶二聚體的修復(fù)機(jī)理?！斑m應(yīng)性”反應(yīng)烷基轉(zhuǎn)移酶將鳥嘌呤O6位甲基轉(zhuǎn)給O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶。這樣,鳥嘌呤可恢復(fù)其正常的堿基配對(duì)特性。

PR1、光復(fù)活（photoreactivation）----TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA----

復(fù)制前修復(fù)、不容易出錯(cuò)400nm藍(lán)光、PR酶

(photo-reactivationenzyme)

光敏裂合酶（photolyase）可見光激活

二聚體光修復(fù)的機(jī)制一.DNA損傷的修復(fù)2.切除修復(fù)切除修復(fù)是負(fù)責(zé)較大范圍損傷的修復(fù)機(jī)理,它是一多步驟修復(fù)過程,分為兩種:一是切除核苷酸修復(fù),另一是切除堿基修復(fù)。核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除是所有生物體內(nèi)最常見的修復(fù)機(jī)理。它基本上可修復(fù)所有種類的DNA損傷,包括紫外線光產(chǎn)物、較大的DNA加合物、DNA鏈間交聯(lián)等。堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)的DNA糖基酶專一性強(qiáng),每一種都特異地識(shí)別一種或少數(shù)幾種異常堿基。2.切除修復(fù)Exision—Repair

復(fù)制前進(jìn)行不易出錯(cuò)內(nèi)切核酸酶（Endonucleases）外切核酸酶

（Exonuclease）

DNApolLigase

堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)ABABCABCABCAB螺旋酶Pol?

螺旋酶連接酶切補(bǔ)切封一.DNA損傷的修復(fù)3.錯(cuò)配修復(fù)可以識(shí)別并除去錯(cuò)配的堿基對(duì),如G:T和A:C.象這樣的堿基對(duì)可作為重組中間體,在復(fù)制時(shí)錯(cuò)誤地出現(xiàn)或者通過堿基活性修飾如5-甲基胞嘧啶的脫氨作用而發(fā)生。CH3GATC

CTAGGTGATC5′3′CTAG3′5′GTCH3CH3GATC

CTAGGTMutHMutSMutL切口CH3GATC

CTAGGT5′3′CH3

GATC5′3′

CTAG3′5′TGDNA解鏈酶核酸外切酶SSBdNMPsCH3GATC

CTAGGT5′3′DNA聚合酶

DNA連接酶dNTPsCH3GATC

CTAGGC3.DNA錯(cuò)配修復(fù)的模型4.雙鏈斷裂修復(fù)嚴(yán)格來說,雙鏈斷裂修復(fù)不是修復(fù),而是一種耐受過程,一種以容忍損傷繼續(xù)存在和在高突變率情況下,以換取細(xì)胞繼續(xù)生存的耐受過程。為了盡可能的減少DNA雙鏈斷裂，細(xì)胞有一套特定的修復(fù)途徑，通過同源重組或者非同源性末端連接機(jī)制被修復(fù)。

重組修復(fù)

(鏈轉(zhuǎn)移修復(fù))

復(fù)制后修復(fù)容易出錯(cuò)RecA,DNApolymeraeligase二聚體后起始RecA

聚合酶、連接酶重組修復(fù)后的損傷位點(diǎn)可由其它機(jī)制進(jìn)一步修復(fù)一.DNA損傷的修復(fù)5.交聯(lián)修復(fù)當(dāng)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生DNA鏈內(nèi)交聯(lián)，會(huì)造成雙鏈的斷裂，機(jī)體啟動(dòng)兩種修復(fù)：1）無誤交聯(lián)修復(fù)，降解雙螺旋，使鏈內(nèi)交聯(lián)轉(zhuǎn)變?yōu)殒渻?nèi)二核苷酸加合物接連于雙鏈斷裂處，隨后Hollidy連接體分解，核苷酸切除修復(fù)最終去除二核苷酸交聯(lián)；2）易誤交聯(lián)修復(fù)，其作用是次要的，包括整個(gè)核苷酸切除修復(fù)和易誤DNA聚合酶。致突變損傷模式化學(xué)致突變作用損傷的模式損傷-修復(fù)-突變二.遺傳因素對(duì)致突變作用的影響個(gè)體因素影響致突變作用有兩個(gè)方面一是先天性,即遺傳因素,也就是遺傳多態(tài)性(geneticpolymorphysm)。二是后天性,主要指不同生活方式如吸煙,飲酒,營養(yǎng)缺乏或不平衡,年齡等。一般認(rèn)為,遺傳多態(tài)性在個(gè)體因素影響致突變作用中起決定作用。再者,后天性的敏感亦有可能在一定遺傳背景上出現(xiàn)。二.遺傳因素對(duì)致突變作用的影響(一)

代謝酶遺傳多態(tài)性遺傳多態(tài)性是一個(gè)衡量遺傳變異的數(shù)據(jù),即群體中多態(tài)基因的比例。多態(tài)性的標(biāo)準(zhǔn)是,當(dāng)一個(gè)基因座位的最常見的等位基因頻率不超過0.95時(shí),這個(gè)基因座位即是多態(tài)性。1.氧化代謝酶2.酯酶3.谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(GST)二.遺傳因素對(duì)致突變作用的影響(二)修復(fù)功能的個(gè)體差異

1.O6-甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)

是體內(nèi)一種特異性修復(fù)酶。2.聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(PARP)PARP的激活為DNA損傷后細(xì)胞的早期反應(yīng)之一,它催化的反應(yīng)作為DNA損傷的一系列細(xì)胞反應(yīng)的過程之一,可影響DNA修復(fù)及損傷的結(jié)局。第五節(jié)觀察化學(xué)毒物致突變作用的基本方法一.觀察項(xiàng)目的選擇1.觀察效應(yīng)終點(diǎn)的類型

將致突變試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象所反映的各種事件統(tǒng)稱為遺傳學(xué)終點(diǎn)(geneticendpoint)。1.觀察的效應(yīng)終點(diǎn)類型國際環(huán)境致突變物致癌物防護(hù)委員會(huì)(ICPEMC)于1983年提出致突變試驗(yàn)的遺傳學(xué)終點(diǎn)分為5類:①DNA完整性的改變(形成加合物,斷裂,交聯(lián));②DNA重排或交換;③DNA堿基序列改變;④染色體完整性改變;⑤染色體分離改變。其中③實(shí)際上指基因突變,④指染色體畸變。

一.觀察項(xiàng)目的選擇2.成套的觀察項(xiàng)目遺傳毒理學(xué)試驗(yàn)中,包括基因突變,斷裂作用,重組作用,非整倍體或多倍體的測定試驗(yàn),