外源性化合物致突变

1、外源性化合物致突变第1页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四目的及要求遗传和变异是生物界的普遍生命现象，是保证生物世代间生命延续的基本内容，本章介绍的就是外源化学物对遗传变异的影响。要求掌握突变、致突变的相关概念以及致突变类型，致突变实验的遗传学终点和实验组合的选择以及相关的实验内容。第2页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四遗传毒理学（ Genetic toxicology）第一节 概述第二节 化学毒物致突变的类型第三节 致突变作用机制和后果第四节 机体对致突变作用的影响第五节 观察化学毒物致突变作用 的基本方法第3页，共72页，2022年，5月20日，6

2、点30分，星期四第一节 概述第4页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四达尔文与进化论自然选择学说归纳起来有如下5点：遗传变异繁殖过剩生存斗争适者生存基因突变是进化的原料，而环境的选择是一种动力 第5页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四基本概念 变异（variation）-亲代之间或子代个体之间出现不同程度的差异，这种差异称为变异 突变(Mutation)-遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。 按突变原因分为自发突变(spontaneous mutation)和诱发突变(induced mutation)，自发突变与物种的进化有关；诱发突变

3、指人为的造成突变。 致突变作用（mutagenesis）-外来因素引起细胞核中遗传物质发生改变的能力。 致突变物又称诱变剂（mutagen）-能够引起突变的物质为致突变物。第6页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四研究外源化学物及其他环境因素对生物体遗传机构的损害作用及其规律，是毒理学的一个分支。其主要目的是检测那些能引起DNA损伤的环境因素，研究其遗传毒作用的特点及对人类的潜在危害。遗传毒理学(Genetic Toxicology)第7页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第二节 化学毒物致 突变的类型第8页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，

4、星期四遗传学相关基本知识DNA的组成脱氧核糖、磷酸、碱基DNA的功能碱基的排列顺序蕴含着遗传信息；DNA最主要的功能是编码蛋白质。第9页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四DNA的复制与翻译复制：半保留复制翻译：中心法则遗传学相关基本知识第10页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第11页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四碱基置换(basepair substitution)指某一碱基配对性能改变或脱落所致的突变，分为转换(transition)和颠换(transvertion)两种，如图：一、基因突变(gene mutation)TAG

5、C转换颠换基因突变-转换与颠换示意图 第12页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四Base-pair Substitutions 蛋氨酸赖氨酸苯丙氨酸甘氨酸蛋氨酸赖氨酸苯丙氨酸甘氨酸蛋氨酸赖氨酸苯丙氨酸甘氨酸蛋氨酸赖氨酸赖氨酸苯丙氨酸丝氨酸第13页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四移码突变 (frame shift mutation) 指发生一对或几对（三对除外）的碱基减少或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译成为不正常的氨基酸。frameshift mutation第14页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四F

6、rame shift mutation蛋氨酸赖氨酸苯丙氨酸甘氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸赖氨酸亮氨酸丙氨酸苯丙氨酸甘氨酸第15页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四后果 同义突变(synonymous mutation)：指没有改变基因产物氨基酸序列的改变 错义突变（missense mutation)：指碱基 序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变 Missense mutation第16页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四 无义突变(nonsense mutation)：指某个碱基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，导致多肽链在成熟之前终

7、止合成的改变终止密码突变 链终止突变：指无义突变使肽链过早终止 延长突变：指如果终止密码子因突变而为氨基酸编码，结果产生过长 的肽链的现象第17页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四指染色体的结构改变 染色单体型畸变(chromatid-type aberration)染色体型畸变(chromosome aberration) 染色体畸变裂隙(gap) 断裂(break) 断片(fragment)和缺失(deletion) 微小体(minute body) 无着丝点环环状染色体 双着丝点染色体 倒位(inversion) 易位(translocation) 插入(insert

8、ion)和重复(duplication) 辐射体 二、染色体畸变(chromosome aberration)第18页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四（1）缺失 染色体少了某一片段,通常是致死的（2）重复 染色体上多出了一段（3）倒位 染色体内部结构的顺序发生颠倒（4）易位 染色体断裂，断裂片断接到其他地方染色体结构畸变的类型第19页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四缺失(deletion)第20页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四ABCFDEGHBCFADEGHBCCBFADEGHBCABCFDEGHBCNormalTandem顺

9、接重复Reverse反接重复Displaced异位重复重复(duplication)第21页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四ABCFDEGHBCAABCFDEGHBCAAFDEGHBCFADEGHBCOverlap of homologuesSimultaneous breakReunion of homologues第22页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四ABCFDEGABCFDEGABCFDEGParacentricABCFDEGABCFDEGACBFEDGPericentric倒位(inversion)倒位的类型1)、臂内倒位(paracent

10、ric inversion) 2)、臂间倒位(pericentric inversion) 倒位片段不含着丝粒。 倒位片段含着丝粒。第23页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四易位(translocation)易位的类型1)、相互易位(reciprocal translocation) 非同源染色体之间相互置换了一段染色体片段。2)、简单易位(interstitial translocation) 一条染色体片断插入到非同源染色体区段之中。3)、罗伯逊式易位(Robertsonian translocation) 也称着丝粒融合或整臂融合。由两个非同源的端着丝粒染色体的长臂相

11、互重接成一条长的中央着丝粒染色体；短臂相互连接成交互的产物，常在细胞分裂中丢失。第24页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四ABCFDEMNQOPAFDEMNQOPBCInterstitial translocation间质异位ABCFDEMNQOPABCQOPMNFDEReciprocal translocation相互异位第25页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四Robertsonian translocation第26页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四三、非整倍体和多倍体 非整倍体(aneuploid)指细胞丢失或增加一条或几条

12、染色体。缺失一条染色体时称为单体(monosome)增加一条染色体时称为三体(trisome)染色体数目的改变会导致基因平衡的失调，可能影响细胞的生存或造成形态及功能上的异常。如21三体导致先天愚型(Down氏综合征)。第27页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四整倍体 (euploid) 指染色体数目的异常是以染色体组为单位的增减，如形成三倍体(triploid)、四倍体(tetraploid)等。 在人体，3n为69条染色体，4n为92条染色体。在肿瘤细胞及人类自然流产的胎儿细胞中可有三倍体细胞的存在。发生于生殖细胞的整倍体改变，几乎都是致死性的。第28页，共72页，20

13、22年，5月20日，6点30分，星期四诱发突变 基因突变 染色体畸变 碱基置换 （错配）移码突变（缺失、插入）大段损伤结构异常 缺失(deletion)重复(duplication)倒位(inversion)易位(translocation)臂间倒位臂内倒位数目异常 非整倍体（aneuploidy） 多倍体 (polyploid) 转换(transition)颠换(transversion)第29页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第三节 致突变作用机制和后果第30页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四一、引起突变的DNA变化（一）碱基损伤 1.碱基错配

14、烷化剂(alkylating agent):是指对DNA和蛋白质具有强烈烷化作用的物质 一般情况下甲基化乙基化高碳烷基化 目前认为最常受到烷化的是 鸟嘌呤的N7位，其次是O6位 腺嘌呤的N1、N3和N7也易烷化 AP位点（apurinic or apyrimidinic site)：是指丢失碱基的DNA留下了一个无嘌呤或无嘧啶的位点第31页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四2.平面大分子嵌入DNA链嵌入剂（intercalating agent)：指能以静电吸附形式嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间的物质 如丫啶类染料分子多数是多环的平面结构，特

15、别是三环结构，其长度为6.810 2 nm，恰好是DNA单链相邻碱基距离的两倍 通常引起移码突变第32页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四3.碱基类似物取代 有些化学物的结构与碱基非常相似，称碱基类似物 它们能在S期中可与天然碱基竞争，并取代其位置 例如5溴脱氧尿嘧啶能取代胸腺嘧啶核苷； 2氨基嘌呤(2-AP）能取代鸟嘌呤 bromodeoxyuridineThymine第33页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四4.碱基的化学结构的改变或破坏 化学物可对碱基产生氧化作用，从而破坏或改变碱基的结构，基于引起链断裂 有些化学物质可在体内形成有机过氧化物或自由

16、基，如甲醛、氨基甲酸乙酯和乙氧咖啡碱等，可间接使嘌呤的化学结构破坏，容易出现DNA链断裂 第34页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四（二）DNA链受损 1.二聚体的形成：紫外线 环丁烷嘧啶和4-6光产物 阻止DNA复制 引起细胞死亡Thymine dimers produced by ultraviolet irradiation 第35页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四2.DNA加合物形成（DNA adducts）活性化学物质与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。如生物毒素、多环芳烃和芳香胺类致癌物可使DNA形成大加合物，使DNA的立体构象发生

17、明显变化，阻断受损部位的半保留复制和转录第36页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四3.DNA-蛋白质交联（DNA-protein crosslinks，DPC）第37页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四四、突变的后果 突变的后果取决于化学毒物所作用的靶细胞 体细胞：其影响仅能在直接接触该物质的个体身体上表现出来，不可能遗传到下一代 生殖细胞：其影响有可能遗传到下一代二、引起突变的细胞分裂过程改变（自学）三、其他改变（自学） 第38页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四突变的不良后果第39页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，

18、星期四1.生殖细胞突变的后果（1）致死性突变： 显性致死：突变配子与正常配子结合后，在着床前或着床后的早期胚胎死亡. 隐性致死：需要纯合子或半合子才能出现死亡效应现.第40页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四（2）非致死性突变（可遗传的改变） 先天畸形等遗传性疾病 遗传易感性改变生物个体生殖细胞发生突变或染色体畸变后，有些可能会在世代传递、选择过程中在人群中固定下来，增加人类的遗传负荷 遗传负荷（genetic load)：指人群中每个个体所携带有害基因或致死基因的平均水平第41页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四2.体细胞突变的后果（1）癌变：体细胞突

19、变是细胞癌变 的重要基础，在许多肿瘤中，都可观察到癌基因的活化和抑癌基因的失活，并存在缺失、易位、倒位等染色体畸变（2）致畸胎：致突变物可透过胎盘作用于胚胎体细胞引起畸胎，所以致畸作用不完全是亲代生殖细胞突变的后果 （3）其他不良后果：动脉粥样硬化、衰老第42页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第四节 机体对致突变作用的影响第43页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四机体修复DNA损伤的机制可分为两大类：损伤耐受机制：指DNA遗传可绕过那些阻止DNA 复制的DNA损伤。第44页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四DNA修复直接修复切除修复

20、O6甲基鸟嘌呤修复光修复错配碱基修复碱基切除修复核苷酸切除修复复制后修复呼救性修复DNA损伤的修复机制（一）、DNA损伤的修复 第45页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四X射线损伤修复交叉互补基因（XRCC1）是一种重要的DNA修复蛋白在内外氧剂及烷化剂导致的DNA单链断裂和碱损伤修复中起重要作用，XRCC1能通过自身的不同部位与多种碱基切除修复相关蛋白结合，发生相互作用促进对DNA损伤修复，对维持基因组的稳定起关键作用，并参与顺铂（DDP）或卡铂（CBP）引起的损伤修复过程。第46页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四DNA修复能力是与肿瘤易感性和肿瘤化

21、疗敏感性密切相关的双刃剑：DNA修复能力强，肿瘤易感性低，然而在肿瘤治疗过程中，修复能力的增加却阻碍了化疗药物的发挥。多年来，国内外学者对XRCC1的多态性做了相关的研究，主要集中在Argl94Trp和Arg399Gln位点，发现由于XRCC1存在多态性, 不同个体的活性不一样, 从而导致对铂类药物化疗敏感性的不同。第47页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四DNA损伤修复的一般特点1.DNA损伤不仅可因外源性因素所致，也可因内源性因素所致 2.不同类型DNA损伤通过不同的DNA修复途径修复 3.不同类型DNA损伤修复速度是不同的 4.DNA损伤修复机制有些是基本的，有些是可

22、诱导的5.DNA损伤修复功能存在物种和个体差异 突变模式： DNA损伤-修复-突变 任何DNA损伤，只要修复无误，突变就不会发生，如果修复错误或未经修复，损伤就固定下来，于是发生突变第48页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四（二）、遗传因素对致突变作用的影响 (一)代谢酶遗传多态性 (二)修复功能的个体差异 第49页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第五节 观察化学毒物致突变 作用的基本方法第50页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四一、观察项目的选择1、观察的效应终点类型 基因突变和染色体畸变的检测可直接反映化学毒物的致突变性，是评价

23、化学毒物致突变性唯一可靠的方法。还有许多试验所观察到的现象并不反映基因突变、染色体畸变和染色体分离异常，而仅反映致突变过程中发生的其他事件。 将试验观察到的现象所反映的各种事件统称为遗传学终点(genetic endpoint)。 第51页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四遗传学终点分为5类DNA完整性的改变(形成加合物，断裂，交联)；DNA重排或交换；DNA碱基序列改变；染色体完整性改变；染色体分离改变。其中实际上指基因突变，指染色体畸变。 第52页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四2成套的观察项目遗传毒理学评价程序通常为一组体内、外遗传毒理学试验。因

24、为：化学毒物的种类和结构多种多样，其致突变的机制不尽相同，作用的靶细胞也不一样;致突变物中仅少数具有直接致突变作用，大多数为间接致突变作用，即需要在体内代谢活化后，才具有致突变作用;化学毒物的致突变性有强，也有弱。第53页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四遗传毒理学成套观察项目中试验入选原则：选择的遗传毒性试验应包括5种类型的遗传学终点。通常的实验材料有病毒、细菌、真菌、培养的哺乳细胞、植物、昆虫及哺乳动物等。体内试验与体外试验配合。应包括生殖细胞和体细胞。第54页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四二、常用的致突变试验 (一)细菌回复突变试验(Ames试

25、验) 左图：发明ames test 的美国加州大学教授艾姆斯（B.N.Ames），依然建在。第55页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四原 理鼠伤寒沙门氏菌野生型（原养型）人工方法正向诱变鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（异养型）诱变物作用回复突变 Ames是检测遗传毒理学的体外试验，检测终点是基因突变第56页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第57页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四TA1537TA1538TA1535R因子R因子R因子TA97TA98TA100TA102移码突变碱基置换突变移码突变、碱基置换突变实验菌株第58页，共72页，

26、2022年，5月20日，6点30分，星期四Petri dishes containing sodium azideinduced revertants of tester strain TA1535. The top left dish (no chemical added) shows spontaneous revertant colonies. The increase in induced revertants reflects increases in the concentration of sodium azide.第59页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四(

27、二)微核试验微核(Micronucleus)的产生与染色体损伤有关，是染色体或染色单体的无着丝点断片或纺锤丝受损伤而丢失的整个染色体，在细胞分裂后期遗留在细胞质中，末期之后，单独形成一个或几个规则的次核，包含在子细胞的胞质内，因比主核小，故称微核。细胞质中微核来源有二：微核试验(Micronucleus test，MNT)是观察受试物能否产生微核的试验。其主要可检出DNA断裂剂和非整倍体诱变剂。第60页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四第61页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四MICRONUCLEUS TEST 第62页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四(三)染色体畸变分析 (四)姐妹染色单体交换试验（SCE） 第63页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四(五)果蝇伴性隐性致死试验(六)显性致死试验(七)程序外DNA合成试验 (八)单细胞凝胶电泳(九)观察方法新进展第64页，共72页，2022年，5月20日，6点30分，星期四三、致突变试验中的一些问题 (一)阴性和阳性对照的设立 1、阴性对照（negative control）它是空白对照，即不加任何处理。或者是溶剂对照。2、阳性对照（positive cont