第六章遗传毒性的类型及其形成机制

p147 第六章遗传毒性的类型及其形成机制 突变是遗传物质中不是由于遗传重组产生的任何可遗传的改变。突变按发生原因又分为自发突变和 诱发突变。遗传毒理学主要研究理化因素的致突变作用，即诱发突变。已知， 理化因素对 DNA 的损伤如果不能及时正确地修复，DNA 序列将改变并导致突变。由于突 变是单个基因和基因组信息结构的改变，因此常常引起基因功能的丧失或改变。如果这些 损伤是非致死的，将导致可遗传改变。因此，遗传毒性(genotoxicity)通常被定义为损伤 DNA 和改变 DNA 序列的能力。即遗传毒性是指遗传学的改变(或损伤)，而与一般毒性的概念有 所不同，不是指遗传损伤的生物学后果如遗传病、肿瘤等。鉴于此，本章所指的遗传毒性类 型是指遗传学改变的类型，同样其形成机制也是指遗传学损伤的形成机制。 第一节遗传毒性的类型 遗传毒性的类型依分类方法而异可分为不同的类型，至今尚无一致的意见。从机制 角度，可分为以 DNA 为靶的损伤和不以 DNA 为靶的损伤，前者包括基因突变(gene mu tation)和染色体结构畸变(structural chromosome aberration)，后者主要指染色体数目畸变 (numerical chromosome aberration)，包括整倍体(euploidy)和非整倍体(aneuploidy)改变。 从遗传损伤能否为光学显微镜所见分为细胞水平和分子水平两类损伤。从遗传学角度或 突变角度可分为基因突变、染色体结构改变和染色体数目改变三类。从遗传毒性上来分， 除三类遗传学改变外还包括 DNA 损伤(DNA damage)。另外，Thilly 于 1986 年认为整倍 性改变与人类遗传病的关系极微，故主张分为基因突变作用(mutagenesis)、断裂作用 (clastogenesis)和非整倍体作用(aneuploidization)。 须注意的是，近年来国外(包括国内分子遗传学界)常将 mutation 和 mutagenesis 狭义 地指基因突变，而遗传毒性仅指 DNA 损伤。在毒理学和预防医学中，通常采用广义的概 念：如将染色体结构畸变和染色体数目畸变统称为染色体畸变；突变既包括基因突变也包 括染色体畸变。同样，诱变剂(mutagen)狭义的指能引起基因突变或增加突变速度的物 质，而将引起染色体结构畸变和染色体数目异常的物质分别称为断裂剂和非整倍体诱变 剂(见下述)。广义的诱变剂则既包括引起基因突变的物质，也包括了引起染色体结构或 数目异常的物质。 一、基因突变1,2,4,6 (一)基因突变和突变体的概念 基因是遗传信息的贮藏、传递与实现单位。基因的主要信息内容包含在其核苷酸碱 基的线性序列中，由于核苷酸的增加或缺失，或在 DNA 复制和修复过程中一种核苷酸和 p148 另一种核苷酸的替换，都可导致 DNA 序列的改变，任何一种引起单个基因功能改变的上 述分子变化称为基因突变。简言之，基因突变是指基因在结构上发生了碱基对组成和排 列顺序的改变。这种改变可发生于生殖细胞或体细胞，发生于生殖细胞的突变可以遗传 给下一代，发生于体细胞的突变可以遗传给该细胞有丝分裂而产生的子代。 携带突变的生物个体或群体（或株系） ，称为突变体( mutant)。正是由于突变体中 DNA 碱基序列的改变，因而产生了突变体的表型。突变位点可能存在于基因内，该基因 称为突变基因(mutant gene)。没有发生突变的基因称为野生型(wild type)基因。例如， 负责细菌合成 Arg 的基因 arg 为野生型基因(wild type gene)。如果该基因突变而失去了 合成 Arg 的能力，就必须由外界供应 Arg，否则细菌就不能生长。细菌的这种表型就称为 Arg -表型，即精氨酸合成缺陷表型，其基因型写作 arg -。由此可见，突变体是指有机体 的表型特征中有一种（或多种）与野生型个体的该特征有所不同。具有这样遗传状态的有 机体就叫做突变体。需要指出的是，所谓野生型是指有机体的正性状，如能够分解某种底 物的能力，能够合成某种物质（如氨基酸）的能力。在多数情况下，从自然界分离得到的有 机体种类都具有这种正性状。但有时并不是这样，例如大家最熟悉的 E. coli 的 lac 基 因，通常从自然界分离的 E. coli 都是 lac -，即不能利用乳糖的种类。然而，我们仍然把 lac+称为野生型，而把 lac -称为突变体。从这一点来说， “野生型”这一名词常常是误用 名词，但它已为遗传学家所习用。现在，我们只要遵循上述定义，也就不会误解了。表 6 -1 为描述突变的命名法，表 6-2 为细菌野生型和突变体的表型和基因型的表示方法。 所有细菌的基因型名称均用 3 个小写的斜体字母，而有关的具体基因则在 3 个小写字母 表 6 -1 描述突变的命名法（引自 strachan TAndrew PR10） 氨基酸替代 用单字母表示：A-丙氨酸；c-半胱氨酸；D-天冬氨酸；E-谷氨酸；F-苯丙氨酸；G-甘氨酸； H-组氨酸；I-异亮氨酸；K-赖氨酸；L-亮氨酸；M-甲硫氨酸；N-天冬酰胺；P-脯氨酸； Q-谷氨酰胺；R-精氨酸；S-丝氨酸；T-苏氨酸；V-缬氨酸；w-色氨酸；Y-酪氨酸；x- 终止密码子 R117H-第117位氨基酸从精氨酸变成组氨酸 G542X-第542位甘氨酸由终止子替换 核苷酸替代 核苷酸标记通常在前面加上nt(核苷酸)或np(核苷酸对)。一般情况下号码为cDNA的有意义链（线粒体突变 例 外）。因为许多cDNA的5端未加定义，所以其编码有可能是已发表的特殊序列。内含子中的核苷酸可通过 他们 与最近的外显子的相对位置来区别。 1162(GA)或np1162(GA)-cDNA中的第1162号鸟嘌呤被腺嘌呤替代； 621+1(GT)-内含子中的第一个核苷酸（鸟嘌呤），即位于一个外显子的最后一个核苷酸（第621位）紧后 边，被胸腺嘧啶所替代。 1781- 5(CA)-在1781位置5端前边内含子中第5个碱基胞嘧啶替换为腺嘌呤。 缺失和插入 Delta - F508或AF508-第508号苯丙氨酸密码子缺失； nt6232(de15)-5个核苷酸缺失，其中第1个位于6232处； nt409(insC)-在409位核苷酸后边插入胞嘧啶。 p149 后用大写的斜体字母表示，如 lacZ+、lacZ -。所有的表型名称均用 3 个正体字母表示（其 中首字母大写） ，如 Lac+、Lac -。如果是对抗生素的抗性( resistance)或敏感性(sensitivi- ty)则在后面加上 r 或 s 上标。如果是阿拉伯数字，则表示突变体分离的时间顺序。如果 是温度敏感突变，则在基因型符号加写(Ts)，如果是某种无义突变，则在基因型符号后加 写该无义突变的符号：(Am)、(Oc)或(Opal)，Am 为琥珀型(amber)，密码子为 UAG;Oc 为 赭石型( Ochre)，密码子为 UAA; Opal 为乳石型，密码子为 UGA。 表 6-2 细菌突变体和突变的表示方法（引自孙乃恩等【5） 表型和基因型 符 号 表型： 缺乏合成或利用某种物质的能力 Sub - 具有合成或利用某种物质的能力 Sub+ 对某种抗菌素的抗性 Antr 对某种抗菌素的敏感性 基因型： Ants 能够合成或利用某种物质的野生型基因 sub+ 影响合成或利用某种物质的突变基因 sub - 突变的subA基因 subA - 具有温度敏感表现型subA基因的突变 subA-(Ts) 具有琥珀表现型的subA基因的突变 subA-(Am) subA基因的63号突变 subA63 对于某种抗菌素的抗性或敏感性的基因 ant 对于某种抗菌素抗性的基因型 antr 对于某种抗生素敏感性的基因 ants （二）基因突变的类型 基因突变根据不同的分类方法可分为不同的类型。 1单点突变和多点突变 按照 DNA 碱基序列改变的多少，可分为单点突变(single-point mutation or point mu- tation)，即只有一个碱基对发生突变，和多点突变(multiple point mutation multiple muta- tion)，即两个或两个以上的碱基对发生改变。点突变可以是碱基替代(base substitution)、 碱基插入( base insertion)或碱基缺失(base deletion)。单点突变通常就称为点突变(point mutation)。但值得注意是，点突变这个术语在分子遗传等学科中常常是指碱基替代。碱 基替代可以分为两类，一类叫做转换( transition)，即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化；另 一类叫颠换(t，an。vesion)，即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。点突变的重要特点之一 是它具有很高的回复突变率。 p150 2移码突变与动态突变 从对可读框的影响来看，有所谓移码突变(frameshift mutation)。插入、缺失一个或 两个碱基都能引起移码突变；扁平的碱基染料分子的嵌合也常引起移码突变。移码突变 不但改变了产物的氨基酸组成，而且可能使蛋白质合成过早的终止。如果移码突变发生 在必需碱基上，则发生此类突变的细胞或早期发育阶段的生物体常常是致死的。如果插 入或缺失三个碱基，若可读框不变，其产物常常有活性或有部分活性。近年来在人体中发 现一类新的 DNA 序列改变称为三核苷酸重复(trinucleotide repeats)或三联体重复(triplet repeats)或三核苷酸扩展(triplet repeats，Moortin l993 年提出)，即一特定的三联核苷酸被 扩增(如 CTG(CTGCTGCTG)，重复数目超过正常数目。目前已知有 10 余种遗传病有 三联体重复，如强直性肌营养不良症、亨廷顿(Huntingtons)病、脆性 X 综合征等。如 CCG 三联体核苷酸，在正常 FMR 一 1 基因中重复 654 次，而在有脆性 X 综合征的人体 中扩展到 501500 拷贝。这类不稳定 DNA 序列的基本突变方式是重复序列拷贝数的 改变。突变体与其上一代的突变速率不同。突变的速率与拷贝数有关，重复序列的拷贝 数越多，其子代发生进一步突变的危险越大。因此这种突变方式称之为动态突变(dy namic mutation)。这种三核苷酸重复数目的遗传改变尚未在其他生物中发现。它们可以 发生在基因内翻译区或基因外非翻译区，可发生于减数分裂也可发生于有丝分裂。减数 分裂不稳定性表现为世代间拷贝数的改变。很可能是胚胎发育的一特定时期，重复序列 发生了不稳定变化。正常人可能携带一个前突变，在通过生殖细胞传给下一代时可能转 换成一个全突变。如从家系观察普遍认为，重复序列的中度延长(前突变阶段)在配子卵 子发生过程中出现，而高度延长(完全突变阶段)在胚胎发育的某一特定时期发生。一种 可能机制认为，在 DNA 复制过程中，正在延长的 DNA 链可向后移动，重新与模板 DNA 配对，最终导致新合成的 DNA 链长于模板 DNA。另一种可能机制则认为，姐妹染色体的 重组交换过程中，可导致重复序列的延长。因此，在同一家族的患者中，突变引起的病症 可有不同的严重程度。偶尔，该病有消退，在一代之间回归正常。有丝分裂的不稳定性表 现为同一个体不同组织或细胞系间拷贝数的不同。 3碱基置换、移码和大段损伤(1arge segment damage) 从产生基因突变的损伤可分为碱基罩换、移码和大段损伤三种类型。大段损伤亦称 DNA 重排(DNA rearrangements)，指 DNA 序列上有较长的一段序列的重排分布，包括大 段(一个碱基至数千个碱基)的插入、缺失、取代、复制、放大和倒位(见图 61)。这类损 伤有时可波及两个基因甚至数个基因。按严格的定义基因突变应是一个基因范围的损伤 导致的改变。当损伤足够大，例如超过 104 碱基对以上，就介于基因突变与染色体畸变之 间的不明确的过渡范围。目前发现引起了遗传后的 DNA 重排，以缺失最常见。因缺失 的片段远远小于光学显微镜所见的染色体缺失，故又称小缺失(small deletion)。它往往 是 DNA 链断裂后重接的结果，有时在减数分裂过程发生错误联会和不等交换也可造成 小缺失。 p151 图 61 DNA 重排示意图 字母表示一个核苷酸、字母下的粗线表示 DNA 序列。表示缺失 口表示序列改变 4同义、错义和无义突变 从对遗传信息的改变或从突变发生的效应来看，点突变中碱基替代突变可以进一步 分为同义突变(synonymous mutation)、错义突变(missense mutation)和无义突变(nonsense mutation)。同义突变是指没有改变基因产物氨基酸序列的突变，显然这与密码子的简并 性相关。错义突变是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。有些错义突变严 重影响到蛋白质的活性甚至完全失活，从而影响了表型。如果该基因是必需基因，则该突 变为致死突变(1ethal mutation)。也有不少错义突变的产物仍然有部分活性，使表型介于 完全的突变型和野生型之间的某种中间类型，这样的突变又称为渗漏突变(1eaky muta tion)。有一些错义突变不影响或基本不影响蛋白质的活性，不表现出明显的性状变化， 这种突变常被称为中性突变(neutral mutation)。中性突变与同义突变常被统称为无声突 变或沉默突变(silent mutation)。无义突变是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须终止合成的一类突变，如琥 珀突变(anber mutation)中赖氨酸的密码子 AAG 突变为终止密码子 TAG(即 UAG)。无 义突变还可以由其他各种突变产生，如移码突变、插入突变和缺失突变都能造成无义突 变。无义突变使肽链过早终止，因此也称为链终止突变(chain terminal mutation)，其蛋白 质产物一般是没有活性的。但是，由点突变中的碱基替代突变产生的无义突变，如果发生 在靠近 3末端处，它所产生的多肽链常有一定的活性。这样，用野生型基因产物的抗体 作为免疫学反应就可以检定这些不完全多肽链的存在，这种方法在无表型性状可利用时 显得更为重要。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，称 为延长突变(elongation mutation)o p152 5条件型和非条件型突变 从突变表型对外界环境的敏感性来区分，可分为非条件型突变(nonconditional muta tion)和条件型突变(conditional mutation)。基因组中的任何基因都可以出现条件型突变， 因为生物体任何基因的表达都是依赖于各种各样的体内条件和环境条件的，所以从广义 上来说，任何突变体都可以看作是条件型的。然而在实际的研究中，人们通常选择比较容 易控制的条件，如温度、必需的营养物质、抗生素等。对温度敏感突变体(temperaturesen sitive mutant)的研究最多，因为通过提高或降低温度，可以很快或很方便地关闭或开启某 一基因。温度敏感突变多数为错义突变。一般而言，对于非必需基因，可以选择条件突变 也可以选择非条件突变来研究其功能；而对任何情况下都是必需的基因，任何使之失去活 性的突变都必然引起细胞死亡，因而只能通过选择各种条件突变体来研究。条件突变体 表现为条件致死，即在许可条件(permissive condition)下细胞生长正常或近乎正常，而在 非许可条件下表现为病态或死亡。上面提及的温度敏感突变体已被用来研究基因，尤其 是必需基因在细胞生存、生长、分化和个体发育中的作用。 6正向突变和回复突变 如果从突变的效应是背离还是返回到野生型这两种方向上来讲，可以分为正向突变 (forward mutation)和回复突变(back mutation 或 reverse mutation)。正向突变是指改变 了野生型性状的突变。突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变恢复，这种第二 次突变就叫做回复突变。真正的原位恢复突变很少(也就是恢复到野生型的 DNA 序 列)，而大多数是第二点的突变。原来的突变基因座依然存在，而它的表型效应被基因组 第二位点的突变所抑制，因而又称为抑制突变(suppressor mutation)。抑制突变可以发生 在正向突变的基因(即同一基因的不同部位)之中，称为基因内抑制突变(intragenic sup 一 pressor mutation)；也可以发生在其他基因(即两次突变发生在不同的基因)之中，称为基 因间抑制突(intergenic suppressor mutation)。根据野生表型恢复作用的性质还可以分 为直接抑制突变(direct suppressor mutation)和间接抑制突变(indirect suppressor muta tion)。直接抑制突变是指通过恢复或部分恢复突变体原来突变基因(即野生型基因)蛋 白质产物的功能而使表型恢复到野生型状态。所有基因内抑制突变的作用都是直接的， 一些改变翻译性质的基因间抑制突变的作用也是直接的。间接抑制突变不恢复正向突变 基因的蛋白质的功能，而是通过其他蛋白质的性状或表达水平而补偿原来突变造成的缺 陷，从而使野生表型得以恢复。 7其他 基因突变通常发生在编码区，但也可发生在基因调控的 DNA 序列等部位当中。如 存在于启动子区域的点突变可改变转录水平。这类突变中，有的能增强启动子对于转录 的发动作用，就称为启动子上升突变或启动子增效突变(promoter uP mutafton)；有的突变 则降低启动子的功能，称为启动子下降突变或启动子减效突变(pronlotor down muta tion)。如果突变位点发生在操纵子(operator)上，其位点不能为阻遏蛋白所识别；或者由 于调节基因发生突变，不能产生功能的阻遏蛋白。这两种情况或二者之一都使结构基因 p153 失去负向调控，产生不依赖于需要，在细胞中有固定数量的蛋白质。基因的这种表达方式 叫做组成型表达；产生这种表达方式的操纵子突变或调节基因的突变就叫做组成型突变 (constitutive mutation)。启动子突变体和组成型突变体是研究基因调控的重要手段。另 外还有剪接信号点突变(splicing signal point mutation)，造成 mRNA 前体加工异常；转录 终止点突变(transcription termination mutation)，改变 mRNA 的结构；polyA 加合位点点突 变(polyadenylation site point mutation)，影响 mRNA 的转运；5端非翻译区点突变(5-non translated region point mution)，使核糖体不能与 mRNA 结合；起始密码的突变(mutation of initiation codon)，不能在该位点起始翻译等。另外，从对基因突变的研究进展可分为已 经确定的已知突变(identified mutation)和待测的未知突变(unidentified mutation)等。 二、染色体畸变1,2,4 由于染色体或染色单体断裂，造成染色体或染色单体缺失，或引起各种重排，从而出 现染色体结构异常的称为染色体畸变或染色体结构畸变。染色体畸变意味着染色体物质 丢失、重排在同一或不同染色体的不同部位、存在过量(扩增)，所以很多染色体畸变可以 导致细胞死亡。断裂或交换的部位通常不是随机分布于染色体上。在断裂点，分离的断 片之间可以发生融合。凡能引起染色体断裂的物质称为断裂剂(clastogen)，这种作用的 发生或过程即为断裂作用(clastogenesis)。在断裂剂的作用下可能发生整个染色体的断 裂或复制染色体两条染色单体的某一条断裂，故染色体畸变又可称为染色体型畸变 (chromoSometyPe aberrations)和染色单体型畸变(chromatidtype aberrations)。一对同源 染色体其中一条是正常的，而另一条发生了结构变异，含有这类染色体的个体或细胞称为 结构杂合体(structral helerozygote)；若一对同源染色体产生了相同的结构变异，那么就称 为结构纯合体(structral homozygote)。根据染色体畸变的方式，又可分为稳定性染色体畸 变(stabilizing chromosome aberration)和非稳定性染色体畸变(nonstabilizing chromosome aberration)。前者指带有裂隙、缺失、对称性互换、臂间倒位等畸变的染色体，由于仍具有 与正常染色体一样的着丝粒，能进行有丝分裂，因而细胞的复制不受影响，故畸变继续留 在体内。后者指带有双着丝粒、环、无着丝粒断片等畸变染色体，在细胞分裂过程中，很容 易丢失而导致细胞死亡。 断裂作用的关键是诱发 DNA 断裂。大多数化学断裂剂像紫外线一样，只能诱发 DNA 单链断裂，故称拟紫外线断裂剂(ultraviolet-mimetic clastogen)。DNA 单链断裂需经 S 期进行 复制，才能在中期相细胞出现染色单体型畸变。一种保守观点认为拟紫外线断裂剂主要在 S 期和 S 期前很短时间内发生作用；并认为有时表面上看是在 G2 期发生的作用，实质上是 受试物质使细胞周期被延长而误认为是对 G2 期的作用。不管怎样，拟紫外线断裂剂的作用 结果必须经过 S 期之后才显现出来，所以又称为 S 期依赖断裂剂(S-dependent clastogen)。少 数化学断裂剂像电离辐射那样可诱发 DNA 双链断裂，故称为拟放射断裂剂(radiomimetic clastogen)。所以，如在 S 期已发生复制之后或 G2 期发生作用都可在中期相呈现染色单体型 畸变；而在 G0 和 G1 期作用，则经 S 期复制，就会在中期相呈染色体型畸变。由于拟放射性 断裂剂能在细胞周期任一时期发生作用，并在随即到来的中期相观察到不需经过 S 期的染 色体结构改变，故又称 S 期不依赖断裂剂(S-independent clastogen)o p154 1染色体畸变 是指染色体中两条染色单体同一位点受损后所产生的结构异常，畸变类型有： (1)断裂(break) 断裂(csb)与裂隙(gap，csg)一样是染色体上狭窄的非染色带 (图 62)。过去以带宽超过染色单体宽为断裂，否则为裂隙。自 20 世纪 70 年代中期开 始，国外普遍以该带所分割的两段染色体是否保持线性关系(成直线或圆滑的曲线)来区 分，无线性者为断裂，否则为裂隙。现认为裂隙并非染色质损伤，不属于染色体畸变范畴。 环境诱变剂作用于分裂细胞时可能引起染色体断裂，如作用于细胞周期的合成期、合成后 期引起染色单体断裂(S 与 Gl G2)，如作用于合成前期或合成早期则引起染色体的断裂 (G1，Sl)期。 图 62 染色体裂隙和断裂示意图(引自参考文献17) (2)断片、微小体和缺失(fragment，minute body，deletion) 一个染色体发生一处 或多处断裂而不重接且远远分开，就会出现一个或多个无着丝粒节段(acentric fragment) 和一个有着丝粒节段(centric fragment)。无着丝粒节段称为断片(csf)。有时断片比染色 单体的宽度还小，成圆点状，此时称为微小体(rain)，可成对或单个出现。如果一个细胞 只有一个微小体存在，应疑为染色单体断片；如成对出现且为数不少，则认为并非来源于 染色体断裂，而是基因扩增(gene amplification)的结果。在细胞分裂时断片不能定向移动 而丢失在胞质中，于是保留在核中的有着丝粒节段缺少了部分遗传物质，故称缺失(del)。 当染色体的末端节段缺失时，称为末端缺失(ter del)。末端缺失由于丢失了端粒，故一般 很不稳定，比较少见，常和其他染色体断片重接合形成双着丝粒染色体或易位，也可自身 首尾相连，形成环状染色体。但染色体的一臂发生两处或多处缺失后虽重接起来，但中间 缺失了某一或某些节段，成中间缺失(inter del)。这种缺失较为稳定，故较常见。缺失的 后果较严重，如缺失片段较大，或一对同源染色体同时缺失，或缺失片段上所携带的基因 较重要时，常常致死；有时虽不致死，也可产生严重的异常，如首先由 Lejeune 于 1963 年 报道的猫叫综合征(criduchat syndrome，或 cat cry syndrome)，就是由于 5 号染色体短臂 缺失(5p 一)所致。 (3)#位(invertion) 当某一染色体发生了一处或两处断裂，其节段颠倒 l80。后 重接起来，由于其位置被颠倒了，称作倒位(inv，图 63)。如果被颠倒的是有着丝粒的中 p155 间节段，这称为臂间倒位(paracentric inversion)；如果被颠倒的仅涉及长臂或短臂的某一 节段，则称为臂内倒位(pericentric invertion)。 图 63 臂间倒位和臂内倒位杂合子在减数分裂过程染色体的错配(引自 Motulsky1) 示意图左为臂间倒位，右为臂内倒位，假定交换是在用标记的区段进行的， 结果出现异常染色体、导致子代杂合子为非整倍染色体。 (4)环状染色体和无着丝粒环(ring chromosome and acentric ring) 染色体两臂 都发生断裂且带着丝粒节段的两端连接起来形成环，称环状染色体(r)，又称着丝粒环 (centric rin9，图 64a，图 64b)。如某一无着丝粒节段两端连接而形成环，则称无着丝 粒环。环形染色体能否进入有丝分裂取决于两条染色单体是否以交叉的方式连接。如果 在 DNA 修复过程中，断裂点之间没有姐妹链的交换，那么这个环就可以复制形成独立的 图 64a 在 G。期形成的环形染色体及其在有丝分裂中的命运(引自 Motulsky1) p156 环，每个环都有一个着丝粒，它们可以顺利进行下一次有丝分裂。一个姐妹链的交换后就 形成有两个着丝粒的大环，这种结构在下一次有丝分裂时通常被破坏。两条姐妹链可能 形成两个盘绕在一起的双环。 图 64b Gz 期环形染色体的形成(引自 Motulsky11) (1)表示两条姐妹染色单体之一有两处断裂；(2)表示断裂端重新连接，片段与同源染色单体部分配 对。 (5)插入和重复(insertion and duplication) 在涉及一个或两个染色体三处断 裂的重接中，一个染色体臂内由于发生两处断裂而游离出带两端的断片插入到同一染色 体另一断裂处或另一染色体的断裂处，叫做插入(ins)。如插入节段的碱基序列与着丝粒 的位置关系与原来方向相同，叫顺向插入(dir ins)，否则叫反 N 插 A(inv ins)。如果插入 使该染色体有两段完全相同的节段时，称为重复(dup)，重复尚有其他含义，如多倍体和多 体也是重复的另一种形式。 (6)4-#-(translocation) 从某一染色体断裂下来的节段接到另一染色体上称为 易位(t，图 65)。两条染色体各发生一处断裂，其断片相互交换重接成为两个结构重排 的染色体称为相互易位(mutual translocation)或对称易位(symmetric translocation)，或平 衡易位(reciprocal，symmetrical，balanced translocation)。 图 65 相互易位示意图 不同染色体两处断裂产生两个染色体片段，它们相互易位或是交换到不是它们起源的染色体断裂处。 两个染色体各发生一处断裂，仅一个染色体的断片连接到另一染色体上称为单向易 (unindirectional translocation)或不对称易位(nonsymmetrical translocation)，或不平衡 易位 nonbalanced translocation)。如果这两个着丝粒均具有主缢痕功能，就称为双着丝 粒染色体(dicentric chromosome，dic，图 66)，否则只有一个着丝粒具主缢痕功能时，则 称为末端重排(ter rea)。 三个或更多的染色体发生断裂，其游离节段交换重排而形成结构重排的染色体时称 为复杂易位。复杂易位有时可形成三着丝粒、四着丝粒等多着丝粒染色体(polycentric chromosome)。 p157 图 66 双着丝粒染色体有丝分裂后期的变化示意图(引自 Motulsky1) a示两个着丝粒移向相反的极，染色体保持完整； b示着丝粒移向相反的极，后期桥形成；c 染色体断裂。 对于生殖细胞，两个非同源染色体发生一次相互易位时，将出现易位杂合子(tran。l0 cation heterozygote)。在精母细胞第一次减数分裂的前期(前期 I)，联会过程中的偶线期 至粗线期，由于易位杂合子发生同源染色体节段的接合配对而使两对同源染色体形成十 字型的交叉(chiasma)，如图 67 所示，称为相互易位型四射体(quadriradia)。 以后，随着前期 I 向前发展，在交叉中同源节段的配对部位发生遗传物质交换(cross in9over)，并因交换的次数不同和位置是在近端(着丝粒和断裂之间)还是在远端(端粒和 断裂之间)，而于终变期和中期 I(M1 期)分别形成不同构型(图 68)：交换一次，无论 在近端抑或远端，都 r#成-+-Ot 体(bivalent)和两个单价体(univalent)；交换二次，同 在近端或远端，形成两个二价体；如一在近端一在远端，则形成一个三价体(trivalent)和一 个单价体(c111+I)；交换三次，二次近端一次远端或相反，都形成链状四价体(quadri valent，CIV)；交换四次，形成环状四价体(R)。 非同源染色体的相互易位如发生两次或多次，将产生更为复杂的构型，如六价体、八 价体或十价体。 p158 图 67 生殖细胞易位杂合体经联会后在 M1 期精母细胞中的构型(仿自 Kilbey BJ 等ll) 图 68 G2 期易位后相互交换的几种类型(引自 Motulskyl) P159 单价体的出现也可因联会失败或联会复合体过早消失所致。 (7)着丝粒融合(centric fusion) 两条非同源染色体着丝粒断裂相互又融合 (图 69)在一起了。又称罗伯逊易位(Robertsonian translocation)，是人类最常见的染色 体重排之一。 图 69 着丝粒融合示意图 (8)等臂染色体(isochromosome) 染色体着丝粒处发生了横向断裂，形成等长臂 或等短臂染色体(图 610)。 图 610 着丝粒分裂异常形成等臂染色体示意图 2染色单体型畸变(chromatidtype aberration) DNA 合成期和合成后期(S 期和 G2 期)染色体已复制成两条染色单体，故打断的染 色单体为一单体断裂。在某一染色体的一条单体上发生畸变类型有： (1)染色单体的断裂(ctb)、断片(ctf)、缺失(ct del)和倒位(ct inv)，以及裂隙(ctg) 含义与染色体型畸变的 csb、csf、del、inv 和 cs9 基本相同，差异在于姐妹染色单体中仅有 一条出现结构异常。 (2)染色单体交换(chromatid exchange，cte) 是两条或多条染色体断裂后变位重 接的结果。在同一染色体内或单体内的染色单体交换称为内换(intrachange)，不同染色 体间的染色单体交换称为互换(interchange)。两染色体间的单体互换可出现三射体(tri radial，tr)或四射体(quadriradial，qr)。它们分别具有三臂或(和)四臂的构型。在三个或 多个染色体间的单体互换则形成复合射体(complex radial，cx)。 姐妹染色单体交换(sister chromatid exchange，SCE)：使用差示染色时，可见到染色单 体的两条姐妹染色单体染成一深一浅。如某一染色体在姐妹染色单体间发生等位节段的 交换，就会使两条姐妹染色单体都出现深浅相同的染色(等位节段仍是一深一浅)。这种 p160 现象称为 SCE。1978 年 ISCN(人类细胞遗传学命名国际体制)将 SCE 列入染色单体型畸 变的范围，但其发生机制目前已趋向于认为与染色单体断裂无关。 三、染色体数目异常l，2，6 染色体数目异常或染色体数目畸变，主要指染色体的数目发生了改变。染色体数目 异常是以动物正常染色体数目 2n 为基准进行命名的。染色体分离异常可以出现整倍体 改变(euploidy aberration)和非整倍体改变。整倍体改变也称基因组突变(genome muta tion)，可有单倍体、三倍体和四倍体(monoploid、triploid、tetraploid)。超过二倍体的整倍 性改变也统称为多倍体(polyploid)。非整倍性改变为二倍体丢失或增多一个或多个染色 体。当染色体数目在细胞群体中的众数接近二倍体时称为近二倍体(2n+，near diploid)， 众数比二倍体稍少则称亚二倍体(2，z 一，hupodiloid)，众数比二倍体稍多则称超二倍体 (2n+，hyperdiploid)。在人类常见的非整倍体改变为单体(monosome，某号染色体丢失了 1 个)，三体(trisome，某号染色体多了 l 个)和四体(tetrasome，某号染色体为 4 个)。如果 某号染色体一对均缺，就叫缺体(nullisome)。无论是整倍性或非整倍性染色体数目异常 的细胞或个体部分都称为异倍体(heteroploid)。 染色体数目异常的直接原因是由于染色体行动异常或复制异常。引起非整倍性的原 因是：不分离(nondisjunction)：有两种情况，一种是同源染色体在第一次减数分裂中联 会复合中不分离(可能因联会复合体受损)；另一种是姐妹染色单体在有丝分裂中或第二 次减数分裂中因着丝粒受损未纵裂而不分离。结果纺锤体一极接受两个同源染色体或两 条姐妹染色单体，而另一极则无，细胞分裂后即形成非整倍性。染色体丢失(chrom0 some loss)：由于纺锤体形成的不完全障碍或着丝粒受损，可在细胞分裂由中期向后期发 展的过程中使个别染色体行动滞后(1agging)，于是没有进入任一子细胞的核中，就会使此 子细胞丢失染色体。如染色体丢失发生在配子发生时，便可形成，n 和 n 一 1 两种配子，后 者与正常配子结合，即产生单体型(2，z 一 1)合子。如丢失发生于受精卵的早期卵裂时，则 可形成单倍体和两倍体两个细胞系组成的嵌合体(mosaic)。除以上两种情况外，还可 能由于联会复合体形成障碍和第一次减数分裂时着丝粒早熟分离而产生非整倍性。 引起整倍性的原因是核内复制(endoreduplication)，即在有丝分裂中，染色体及其着 丝粒虽已完成正常复制，但纺锤体形成受到完全的障碍，于是全部姐妹染色单体不能分 开，细胞也不能进行分裂，因而在间期中形成一个有四倍体的细胞核。这个细胞在下次有 丝分裂时又恢复正常的复制和分开，于是在中期细胞便可见每 4 条染色单体整齐排列的 现象。如生殖细胞在有丝分裂期间出现核内复制，则在随后的减数分裂中出现二倍体配 子，当与正常单倍体配子结合，就可形成三倍体的受精卵。如果核内再复制发生于受精卵 早期卵裂，则可形成具有四倍体和二倍体两个细胞系的嵌合体。 以上诱发非整倍体和整倍体改变的直接原因均不易追究到 DNA 受损，过去全部将 之归究为纺锤体结构或功能受损，故将诱发染色体分离异常的物质称为纺锤体毒(spindle poison)或有丝分裂毒(mitotic poison)，也偶称之为干扰剂(turbagen)。并且将无论纺锤 体是部分或完全突变抑制，都称为有丝分裂效应(mitoclastic effect)。完全抑制时细胞分 裂完全抑制，细胞停滞于分裂中期。秋水仙碱是典型的引起细胞分裂完全抑制的物质，因 p161 此这种效应又称为秋水仙碱效应( colchicine effect)或 C-有丝分裂(C-mitosis)。对仅能 使细胞群体的有丝分裂减少的物质则称之为抗有丝分裂剂( antimitotic compound)。现在 意识到诱发染色体分离异常的原始受损靶不一定局限在纺锤体，同时又对于诱发非整倍 体特别关注，故将诱发非整倍体的物质称为非整倍体诱变剂(aneuploid inducing agent 或 aneuploidogen，或 aneugen). 至于纺锤体结构或功能受损后，有丝分裂相的异常形态有下列数种： 异常的二极分裂相：纺锤体虽呈二极，但可有三种异常：非中极集合( noncongres- sion)：即中期分裂相中有的染色体脱离了纺锤体；不分离：后期和末期分裂相的染色体 或染色单体不能正常移向两极，而是仍然相互联接；滞后：末期分裂相的染色体或染色 单体不能正常分开移向两极，而是中途落伍。 单极有丝分裂相：纺锤体只有一极。 多极有丝分裂相：纺锤体带有三个以上的极。 无极有丝分裂相：无纺锤体图像，纺锤体完全缺如或仅见残留微管蛋白物质：球形 中期：染色体物质成球状分布于细胞中；C-中期：经典的秋水仙素中期分裂相，染色体 多分布于细胞浆中，但有时可见固缩。 对于染色体畸变和数目异常的符号在前文中已有涉及，在表 6-3 中再作一些补充。 表 6-3 染色体结构和数目异常的描述符号举例 符号举例 含 义 -1 丢失一个1号染色体 +7 获得额外的一个7号染色体 2q-或de12q 2号染色体长臂部分缺失 4p+ 4号染色体短臂增加遗传物质 t(9;22)(q34;qll) 9号和22号染色体相互易位，断裂点在9号染色体长臂第3区第4带和11号 染 色体长臂第1区第1带 iso(6p) 等臂染色体，两臂来源为6号染色体的短臂 inv(16) ( p13q22) 16号染色体倒位，发生于其短臂第1区第3带至长臂第2区第2带之间 四、DNA 损 伤 前面已谈到遗传毒性的类型与除上述三类突变外还应包括 DNA 损伤，甚至狭义的 遗传毒性仅指 DNA 损伤。从理论上讲，DNA 分子结构的任何异常改变都看作是 DNA 损 伤。这种损伤包括 DNA 分子一级结构中的碱基、脱氧核糖和磷酸；还包括 DNA 分子二 级结构、三级结构及其构象动态变化的异常改变。但在这些损伤中，以碱基的损伤最为常 见，而且对生物个体而言也最严重，因为碱基序列决定了 DNA 编码的正确性。DNA 损伤 的主要类型有 DNA 单链断裂、双链断裂、DNA 链内（碱基）交联、DNA 链间（碱基）交联、 DNA(碱基)与蛋白质的交联，以及化学物与 DNA 碱基间的交联等。有关 DNA 的损伤已 在第五章第一节详细介绍，这里不再重复。 p162 五、诱重组效应 同源 DNA 序列之间的遗传重组是减数分裂的一部分，并对构成群体的遗传变异是 必需的。有丝分裂中也可发生重组，虽然其发生率非常低。很多致突变物和致畸物可加 大生物体(真菌、植物、昆虫和哺乳动物)中有丝分裂重组的频率，这类物质称为重组剂 (recombinagens)。重组剂所致效应包括有丝分裂相互重组(也称为有丝分裂交换)、有丝 分裂非相互交换(也称有丝分裂基因转变)。致突变物的诱重组效应(recombinagenic ef fe。 8)作为 DNA 损伤的通用指标已使用多年，有丝分裂重组令人感兴趣还因为它与某些 肿瘤的病因有关，并在其他一些疾患中可能起作用。 第二节遗传毒性的形成机制 此处仍按遗传毒性的广义概念，分别介绍以 DNA 为靶的基因突变和染色体结构畸 变，以及不直接以 DNA 为靶的染色体数目异常的形成机制。 一、直接以 DNA 为靶的损伤机制35 1DNA 加合物和交联分子的形成 DNA 加合物(DNA adduct)的形成被认为是诱变作用的重要事件。这是由于诱变剂 首先导致 DNA 损伤(亦称前突变，premutation)，然后细胞对这些损伤进行修复，如果 DNA 不能恢复损伤前的结构状态，则形成了可以遗传的永久性改变，即发生了突变。而 DNA 加合物的形成就表示 DNA 发生了损伤。许多化学诱变剂或其活化物分子上存在一 个未配对的外层电子，具有缺乏电子的特点，是亲电子剂(electrophlic reagent)，化学性质 活泼，极易与蛋白质或核酸等大分子物质中富含电子的分子基团(亲核位点，如一 sH、 一 0H、一 N一等)发生共价结合，形成加合物或交联分子。每个核酸的碱基都含有多 个亲核位点，尽管在生理条件下 DNA 是以双链配对互补的形式形成多级的螺旋结构，并 且与组蛋白结合使这些部位得以隐蔽不易损伤，但是仍有相当数量的基因处于暴露状态。 例如核小体之间的连接段 DNA 和处于转录状态或复制状态的 DNA，都是容易被诱变剂 损伤的靶部位。强致癌物黄曲霉毒素 B(aflatOXin B)和苯并(a)芘benzo(a)pyrene就是 经生物活化成环氧化物，然后与 DNA 发生共价结合形成巨大的加合物分子，从而诱发突 变并最终产生致癌作用的。又如一些烷化剂可提供甲基或乙基等烷基与 DNA 共价结合 (称烷化作用，alkylation)，使 DNA 甲基化或乙基化而诱发突变。 DNA 分子上一条链的碱基与互补链上的相应碱基形成共价连接，称为 DNADNA 交 联(DNADNA crosslinkage)。这种交联使 DNA 在复制中不能解链，使螺旋局部形成，造 成 DNA 复制和转录完全停止，细胞死亡。可使 DNADNA 交联的化学物质很多，如亚硝 酸(nitrite)、丝裂霉素 C、氮和硫的芥子气，以及各种铂的衍生物，如顺一二胺二氯化铂 (cisdiamine dichlor0plalinum)。 碱基损伤的种类很多，紫外线(uItravi。1et light)和电离辐射(i。nizing radiati。n)可使两 p163 个相邻的嘧啶相互交联形成嘧啶二聚体(T=T，C=T，C=C)；生物毒素(biologic toxin)、多环芳烃(aromatic amines)和芳香胺类致癌物(polycyclic aromatic hydrocarbon， PAH)可使 DNA 形成大加合物。这两类损伤会使 DNA 的立体构象发生明显变化，阻断 受损部位 DNA 的半保留复制和转录。烷化剂和亚硝基化合物使碱基发生甲基化、乙基 化等烷化加合反应，形成小的加合物。这类损伤对 DNA 的构象影响较小，不会阻断 DNA 的复制，容易导致碱基错误配对。DNA 的损伤还常发生在磷酸核糖骨架上，表现为磷酸 二酯键断裂，单链断裂能被细胞所修复，而双链断裂往往引起染色体重排或缺失。 诱变剂与 DNA 发生共价结合所攻击