第六章-化学毒物致突变作用

第六章化学毒物致突变作用MutagenesisofToxicants概述

一、基本概念在亲子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(variation)。遗传结构本身的变化及引起的变异称为突变(mutation)。突变可分为自发突变(spontaneousmutation)和诱发突变(inducedmutation)。

致突变作用(mutagenesis)的广义概念是外来因素，特别是化学因子引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，而且此种改变可随同细胞分裂过程而传递。突变是致突变作用的后果，简单地说，突变的发生及其过程即为致突变作用。能够引起突变的物质称为致突变物(mutagen)。二、遗传物质细胞周期指细胞一次分裂结束，并开始生长，到下一次分裂终了所经历的过程。

减数分裂(meiosis)指通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂方式。它是一种特殊的有丝分裂。基因突变

以DNA为靶的损伤遗传学损伤染色体畸变

不以DNA为靶的损伤第一节化学毒物致突变的类型

一、基因突变

基因突变指基因中DNA序列发生的可遗传改变。因基因突变限制在一特定的部位，故称为点突变(pointmutation)。传统的研究突变方法是通过给予致突变物，观察遗传学改变。

基因突变可分为两种类型，即碱基置换和移码突变。

1.碱基置换：碱基置换(basesubstitution)指某一个碱基配对性

能改变或脱落所致的突变。导致在DNA复制过程中该DNA互补链上的相应位点配上一个错误的碱基，即错误配对(mispairing)。这一错误配对上的碱基在下一次DNA复制时，按正常规律配对，于是原来的碱基对被错误碱基对所置换，称碱基置换。

在碱基置换中，DNA的一对碱基(如G:C)被另一对碱基(如A:T)所取代，如果是嘌呤置换另一嘌呤，或者是嘧啶置换另一嘧啶，称为转换(transition)，如果是嘧啶换成嘌呤，或者嘌呤换成嘧啶，称为颠换(transversion)。

2.移码突变：

移码突变(frameshiftmutation)指发生一对或几对(3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3.大段损伤

DNA链大段缺失或插入

介于基因突变和染色体畸变之间常见于基因工程中的基因重组第一节

二、染色体畸变

染色体畸变(chromosomeaberration)指染色体的结构改变，细胞学检测可发现染色体断裂及由断裂所致的各种重排。断裂剂畸变涉及在复制染色体中两条染色单体中的一条，称为染色单体型畸变(chromatid-typeaberration)，而涉及两条染色单体，称为染色体型畸变(chromosome-typeaberration)。例如，电离辐射在DNA复制前处理，可诱导染色体型畸变，如在DNA复制后，诱导染色单体型畸变。产生何种畸变，取决于损伤发生在DNA复制前，还是复制后。当然，任何情况下见到的染色单体型畸变都将在下一次细胞分裂时衍生为染色体型畸变。

染色体结构异常的类型：(1)缺失(deletion)：染色体上丢失了一个片段。(2)重复(duplication)：在一套染色体里，一个染色体片段出现不止一次。(3)倒位(inversion)：一个染色体片段被颠倒了，如颠倒的片段包括着丝点，称为臂间倒位(pericentricinversion)；如不包括着丝点则称为臂内倒位(paracentricinversion)。

英国医生LangdonDown首先描述了先天愚型的临床表现，因此将此病称为Down综合征，即唐氏综合征。在我国，先天愚型一词较为常用。1959年，法国细胞遗传学家Lcjeune证实此病的病因是患者多了一个小的G组染色体(后来确定为21号染色体)。故此病又称为21三体综合征(trisomg21)。据估计我国目前大约有60万以上的21三体综合征患儿，按目前的出生率我国平均20分钟就有一例21三体综合征患儿出生，全国每年出生的唐氏综合征患儿将达27000例左右。

47,XY,+21单纯三体，男性。Down综合征第二节化学毒物致突变作用的机制及后果第一部分致突变作用的机制第二部分致突变作用的后果

第一部分致突变作用的机制一、引起突变的DNA变化二、引起突变的细胞分裂过程的改变三、其它的改变一、引起突变的DNA变化（一）碱基损伤

（包括碱基错配、平面大分子嵌入DNA链、碱基类似物取代和致突变物改变或破坏碱基化学结构）

(二)DNA链受损

1.二聚体的形成

2.DNA加合物形成3.DNA-蛋白质交联物9-氨基吖啶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-溴脱氧尿嘧啶核苷能取代胸腺嘧啶，2-氨基嘌呤(2-AP)能取代鸟嘌呤。

4.致突变物改变或破坏碱基的化学结构有些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，有时还引起链断裂。例如，羟胺能使胞嘧啶C-6位的氨基变成羟氨基。这些改变都会造成转换型碱基置换。

(二)DNA链受损

1.二聚体的形成当细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学变化，其主要产生环丁烷嘧啶二聚体和(4-6)光产物。这些损伤可阻止DNA的复制，并引起细胞的死亡。

2.DNA加合物形成它是活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物，通常很难用一般的化学或生物学方法使其解离。例如，烷化的DNA加合物，O6-甲基脱氧鸟苷，可引起碱基置换。

3.DNA-蛋白质交联物(DNA-proteincroxslinks，DPC)形成它是致突变物对生物大分子物质的一种重要的遗传损害，也是一种稳定的共价结合物。已知许多外来化合物如苯并(a)芘、砷化合物、醛类化合物(如甲醛)及一些重金属(如镍、铬)等，均可引起DNA-蛋白质交联物。DPC一旦形成，必将对DNA构象与功能产生严重影响。第一部分致突变作用的机制

二、引起突变的细胞分裂过程的改变

非整倍体和多倍体的产生不同于其他致突变作用，因为它们涉及不同的细胞靶分子。非整倍体和多倍体是由于染色体分离异常而产生。主要涉及细胞分裂过程的改变如纺锤体、微管蛋白的合成与聚合，微管结合蛋白合成与功能发挥，细胞分裂纺锤纤维的功能发挥，着丝粒与之有关的蛋白质作用，极体复制与分离，减数分裂时同源染色体联合配对和重组等。

三、其它的改变

对DNA合成和修复有关的酶系统作用可间接导致DNA损伤，诱发基因突变或染色体畸变。

1.DNA的高保真复制需多种酶类的参与，并且在基因调控下进行，其过程中的任何一个环节损伤，将影响DNA复制的高保真性，有可能引起突变。

2.修复：DNA修复过程是清除受损伤的DNA片段，并合成新的片段来替换的过程。DNA是生命物质中唯一具有自身修复能力的分子，其修复过程是依赖各种各样的酶来进行。例如，光修复的光裂合酶，切割修复的DNA糖基酶和切除核酸酶。它们有可能成为化学毒物的靶分子。

突变的后果，取决于化学毒物所作用的靶细胞，是生殖细胞，还是体细胞。如是体细胞，其影响仅能在直接接触该物质的个体身上表现出来，而不可能遗传到下一代；如是生殖细胞，其影响才有可能遗传到下一代。第二部分致突变作用的后果致突变作用的后果(一)生殖细胞突变(二)体细胞突变

(一)生殖细胞突变

基因突变对于健康的意义在于与许多按孟德尔定律遗传的疾病有关。例如，在新生儿遗传病中，约有1.3％为常染色体显性遗传，0.25％为常染色体隐性遗传及0.05％与性染色体有关。

许多遗传病是由隐性突变表达所致，如苯丙酮尿症(phenylketonuria)，它由上一代遗传，当父母均有基因突变时，该病即可表现出来。如只有一方的基因突变，后代即是表型正常的携带者。

在遗传性疾病中，还有一个原因是染色体异常。大约每1000名婴儿中有4名患有与染色体畸形有关的综合征。染色体异常估计在受检的双亲中有5％，在死亡的婴儿有6％，在自然流产和死亡胚胎占30％。引起遗传病染色体异常的类型中，非整倍体最常见，多倍体次之，结构异常约占5％。

突变除引起遗传病外，还可造成生殖毒性，表现为胚胎死亡、畸胎、胚胎功能不全及生长迟缓。生殖毒性可由亲代生殖细胞突变所致，也可由胚胎细胞突变所致。

(二)体细胞突变

体细胞突变后果有肿瘤、衰老、动脉粥样硬化及致畸等，最受注意的是肿瘤。

突变与癌发生过程中，中心作用的重要证据是来自于癌基因和抑癌基因的分子生物学研究。癌基因指可刺激正常细胞向癌细胞转向的基因，它源于原癌基因。癌的发生是因为正常细胞生长和发育发生了遗传学改变，正常细胞增殖调节需要在促

进生长因子与限制生长因子之间达到平衡，当原癌基因突变后，可刺激生长的基因过度表达，而抑癌基因的突变，可导致细胞增殖失去抑制作用。

抑癌基因(或称为肿瘤抑制基因、抗癌基因，antioncogene)的突变失活或缺失在许多肿瘤发生过程中起着重要作用。与癌基因不同，抗癌基因是隐性遗传，即为杂合子时，它不能表达。

在许多人类的肿瘤中，可发现17号染色体上，称之为p53抑癌基因的突变。通过深入研究，认为人类肿瘤与p53基因接触致突变物有一定关系。常见的基因突变导致的疾病猫叫综合征易得急性白血病第四节机体对致突变作用的影响

机体修复DNA损伤的机制可分为两大类：损伤耐受机制和修复机制。损伤耐受指DNA遗传可绕过那些阻止DNA复制的DNA损伤。例如，细菌的重组修复，其复制机制是绕过一不能配对的嘧啶三聚体或者较大的化学加合物，在受损对应的新DNA链上留下一间隙，然后，通过重组过程，将来自母本链的DNA片段填上间隙。DNA修复机制可分为直接修复和切除修复。

直接修复指引起DNA损伤的反应为可逆性的，如光修复。切除修复指将损伤或不正确的甲基去除和替换，如核苷酸去除，它是负责较大范围损伤的修复。

一、DNA损伤的修复

(一)光复活

光复活是一种依赖光的过程，它通过酶切下DNA上嘧啶二聚体，将毗连的嘧啶接回原结构上。光复活所依赖的酶，为光裂合酶(photolyase)，它广泛存在于生物体内，包括原核生物和真核生物。

(二)“适应性”反应

机体有一种修复功能，依赖烷基转移酶作用，将鸟嘌呤O6位甲基转给蛋白质O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基化转移酶。这样，鸟嘌呤可恢复其正常的碱基配对特性。

(三)切除修复

切除修复是负责较大范围损伤的修复机制，它是多步骤修复过程，分为两种：一是切除核苷酸修复，另一是切除

碱基修复。切除修复不仅存在于细菌，也存在于真核生物，但它们在某些细节上有差异。

1.核苷酸切除修复

核苷酸切除是所有生物体内最常见的修复机制。它基本上可修复所有种类的DNA损伤，包括紫外线光产物、其他机制不能去除较大的DNA加合物以及由化学毒物所致的DNA链问交联如顺铂(cisplatin)。修复机制非常复杂，虽已有深入研究，但对于修复中的不均一性解释在转录、修复及突变之间关系的不可预见性所知尚少。

2.碱基切除修复

由DNA糖基酶(DNAglycosylase)作用于受损的DNA，该酶可识别异常的碱基，通过切断碱基与脱氧核糖连接的键，使受损的碱基脱落，产生一个无嘌呤或无嘧啶位点，即AP位点。AP内切酶将DNA链切断，由聚合酶及连接酶作用完成修复过程。

3.误配修复误配修复(mismatchrepair)是一类性质截然不同的切除修复。它可以识别并除去错配的碱基对，如G:T和A:C。4.复制后修复复制后修复(postreplicationrepair，PRR)与前述的修复交联不同。PRR严格来说，不是修复，而是一种耐受过程，一种以容忍损伤继续存在和在高突变率情况下，以换取细胞继续生存的耐受过程。5.呼救性修复(SOSrepair)亦可称SOS修复，此种修复对致突变作用不能提供完全的保护。

二、遗传因素对致突变作用的影响

化学致突变作用的模式为损伤-修复-突变，只有修复功能饱和或能力不足时才会引起突变。个体因素影响致突变作用有两个方面，一是先天性，即遗传因素，也就是遗传多态性(geneticpolymorphysm)。二是后天性，主要指不同生活方式如吸烟、饮酒、营养缺乏或不平衡、年龄等。一般认为，遗传多态性在个体因素影响致突变作用中起决定作用。再者，后天的敏感性亦有可能在一定遗传背景上出现。

(一)代谢酶遗传多态性

遗传多态性是一个衡量遗传变异的数据，即群体中多态基因的比例。多态性的标准是，当一个基因座位的最常见的等位基因频率不超过0.95时，这个基因座位即是多态性。代谢酶遗传多态性的生物学意义在于解释有些人易受致突变作用，是因为其体内代谢酶与大多数人不同，即代谢酶有遗传多态性。

1.氧化代谢酶

细胞色素P-450是机体代谢化学毒物的主要酶类。发现这些酶的多态性使代谢功能出现较大差异，并因此而影响机体对某些毒物的敏感性。

2.酯酶

与致突变作用关系密切的是环氧水化酶(EH)。EH的作用具有三重性，它既是活化酶，如参与苯并(a)芘代谢，使之最后生成终致癌物，也是解毒酶。EH活性存在明显的个体差异。

3.谷胱甘肽硫转移酶(GST)

它是体内重要的解毒酶系之一，许多疏水性及亲电子物质通过GST与谷胱甘肽结合形成硫醚酸，经尿排出体外。已知α、π、μ三种类型GST均有多态性。GSTβ是GST1位点的产物。这一位点有两个活跃的等位具有变异型：GST1-1、GST1-2，有些个体完全无活性者(O-等位基因)称为GST1-O。GSTμ的缺乏与肺癌敏感性有密切关系，即GST1-O的个体是患肺癌的高危人群。

(二)修复功能的个体差异

机体对DNA损伤有多种修复系统，使其遗传保持高保真度。修复过程由不同功能的酶参与，表现出明显的个体差异。说明修复酶存在多态性。即修复能力差异造成机体对损伤的反应不一。

1.O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(MGMT)

它是体内一种特异性修复酶。其作用是将嘌吟与嘧啶上的烷基转移到自身胱氨酸的残基上，而使碱基恢复原有的配对性。该酶有明显的组织差异和个体差异。

2.聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(PARP)

PARP的激活为DNA损伤后细胞的早期反应之一，它催化的反应作为DNA损伤的一系列细胞反应的过程之一，可影响DNA修复及损伤的结局；它对外来因素造成基因突变和肿瘤发生可产生抑制或促进作用，对于PARP的研究具有重要的毒理学意义。第五节观察化学毒物致突变作用的基本方法

目前已有200多种试验，但重要的和作为常规使用的约20种。

一、观察项目的选择1.观察的效应终点类型

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(geneticendpoint)。国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC)于1983年提出致突变试

验的遗传学终点分为5类：①DNA完整性的改变(形成加合物、断裂、交联)；②DNA重排或交换；③DNA碱基序列改变；④染色体完整性改变；⑤染色体分离改变。其中③实际上指基因突变，④指染色体畸变。

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。因为：①在成套观察项目中既要用体细胞检测又要用生殖细胞；除了从分子水平还要从细胞

水平来检测化学毒物的遗传毒性。②体内试验具有完整的活化系统，而体外试验则通过加入模拟代谢系统，如S9来弥补缺乏活化系统的不足。这是体内与体外试验的主要差别。在选择体内、体外试验时，还需要对其方方面面进行深入的了解。③化学毒物的致突变性有强，也有弱；有的在某一检测系统中是强致突变物，而在另一系统中可能是弱的致突变物。

关于遗传毒理学成套观察项目中那些试验可入选的原则有：①已知遗传毒性主要有基因突变、染色体畸变、染色体分离异常及原发性DNA损伤。一组可靠的试验系统应包括每一类型的遗传学终点。②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。③体内试验与体外试验配合，体内试验接近实际情况，但由于毒性动力学或其他原因，有时会漏检致突变物。④应包括生殖细胞和体细胞。

为了将动物实验结果更准确地外推于人，在反映同一遗传学终点的多种实验中应尽可能地选择体内试验，以减少毒性差异，对于体外试验除应加模拟毒性系统