遗传毒性及其评价ppt课件

外源化学物的遗传毒性及其评价,第二军医大学卫生毒理学教研室 郑怡文,第一节 基本概念,第二节 遗传毒性的类型,第六节 遗传毒性的评价,第五节 遗传毒性的检测方法,第四节 遗传毒性的后果,第三节 遗传毒性的机制,第一节 基本概念,遗传毒理学(genetic toxicology),研究环境因素对机体遗传物质和遗传过程的作用, 阐明遗传毒性对机体健康的后果及其作用机制,为保护人体健康和生态平衡提供科学依据的一门毒理学分支学科。,基本概念,突变是一种遗传状态，是可以通过复制而遗传的DNA结构的永久性改变,化学物质,遗传物质,突 变 (mutation),遗传毒物(genotoxicant) 诱变剂(mutagen) 致突变物,能力遗传毒性(genetic toxicity /genotoxicity) 诱变性(mutagenicity) 致突变性,直接致突变物无需代谢活化 (direct-acting mutagen) 间接致突变物需代谢活化 (indirect-acting mutagen),基本概念,过程致突变(mutagenesis),按发生方式,突变,自发突变 (spontaneous mutation) 诱发突变 (induced mutation),频率 进程 后果 低 渐进 有益 高 突然 有害？,第二节 遗传毒性的类型,从遗传学角度分类 基因突变(gene mutation) 染色体结构畸变(structural chromosome aberration) 染色体数目畸变(numerical chromosome aberration),从发生机制角度分类 以DNA为靶的损伤(包括基因突变和染色体结构畸变） 不以DNA为靶的损伤(主要指染色体数目畸变）,遗传毒性类型,基因突变 染色体结构畸 染色体数目畸变,指基因在结构上发生了碱基对组成和排列序列的改变,遗传毒性的类型,基因突变,基因突变的类型,(一) 根据基因结构的改变,(二) 根据对遗传信息的改变,(三) 根据突变效应方向分类,碱基置换(base substitution)： 移码突变(frameshift mutation) 三核苷酸重复(triplet repeats) 大段损伤(large fragment damge),遗传毒性的类型,基因突变的类型,(一) 根据基因结构的改变,碱基置换(base substitution) DNA核苷酸链上出现错误配对，某一碱基被另一碱基取代。 因仅牵涉到一个碱基对，又称点突变。 转换(transition) 颠换(transvertion),遗传毒性的类型,基因突变,遗传毒性的类型,基因突变,移码突变(frameshift mutation) 基因编码区内缺失或增加的核苷酸数目不是3的倍数而改变遗传阅读框的突变。,后 果 改变了产物的氨基酸组成，并可能使蛋白质合成过早终止； 若移码突变发生在必需碱基，则可能是致死的； 若插入或缺失三个碱基, 阅读框架不变，其产物常常有活性 或 有部分活性整码突变,三核苷酸重复(triplet repeats) 又称三联体重复或三核苷酸扩展,即一特定的三联核苷酸被扩增，重复数目超过正常数目 目前已知有三联体重复的遗传病：强直性肌营养不良症、亨廷顿(Huntingtons)病、脆性X综合征等。,遗传毒性的类型,基因突变,大段损伤(large fragment damge)：亦称DNA重排 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。这类损伤有时可波及两个基因甚至数个基因。,遗传毒性的类型,基因突变,ABCDEFGHIJ,ABCDEKLFGHIJ,ABCDGHIJ,ABCKLMGHIJ,ABCDEFDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJ,ABCGFEDHIJ,正常 插入 缺失 取代 重复 内重复 放大 倒位,基因突变,遗传毒性的类型,基因突变的类型,(二) 根据对遗传信息的改变,同义突变: 是指没有改变基因产物氨基酸序列的突 变，与密码子的兼并性有关,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,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终止合成,(三)根据突变效应方向分类,正向突变:是指改变了野生型性状的突变 回复突变:是指突变体所失去的野生型性状可以通 过第二次突变恢复（原点恢复突变很少）,遗传毒性的类型,基因突变的类型,染色体结构畸变,遗传毒性的类型,由于染色体或染色单体断裂，造成缺失或引起各种重排，从而出现染色体结构的异常,染色体型畸变两条染色单体均涉及 （DNA复制前损伤） 染色单体型畸变仅涉及一条染色单体（DNA复制后损伤）,断裂剂凡能引起染色体断裂的化学物质,染色体结构畸变,遗传毒性的类型,双着丝粒染色体和无着丝粒,无着丝粒环,三辐体,四辐体,核内复制,注：A、B、C、D代表非同源染色体,染色体数目畸变,遗传毒性的类型,第三节 遗传毒性的形成机制,致突变机制模式,DNA损伤修复突变,遗传毒性的机制,一、DNA损伤(DNA damage) 在遗传毒物的作用下，DNA的结构和功能发生改变，DNA的复制与转录受到阻碍,遗传毒性的机制,碱基损伤 DNA链损伤,(一)碱基损伤 1. 碱基错配,2.平面大分子嵌入DNA链,3.碱基类似物取代 BrdU( 5-脱氧尿嘧啶核苷)取代T 互变异构 碱基置换 错配（ A:T G:C G:C A:T）, 2-AP（2-氨基嘌呤） 取代鸟嘌呤互变异构 碱基置换 错配 (A:T G:C),4. 碱基的化学修饰 碱基氧化脱氨-亚硝基引起,DNA链上相邻的嘧啶共价相连，形成TT、TC、CC等嘧啶二聚体,(二)DNA链损伤,1.二聚体的形成,2.DNA加合物的形成 活性化学物与DNA、蛋白等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 大加合物 代表物：多环芳烃、生物毒素、黄曲霉毒素B、芳香胺类 后 果：DNA立体构象明显变化，阻断受损部位复制转录 或导致移码突变 小加合物 代表物：烷化剂、亚硝基化合物 后 果：对DNA构象影响较小，易导致碱基错配,DNA-DNA交联 代表物：亚硝酸、丝裂霉素C、氮和硫的芥子气、各种铂的衍生物等 后 果： 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，致使复制时不能解链，复制和转录终止,DNA链内、链间、DNA与蛋白质的交联 代表物：多功能烷化剂 后 果：交联后不易修复或易错修复，高度致突变，并致 染色体断裂，易导致死性突变,3.交联分子的形成,DNA损伤的常见类型,碱基类似物的取代 链间嵌入 DNA链断裂 DNA碱基修饰 碱基烷化和共价结合 DNADNA交联 DNA蛋白质交联 ,二、DNA修复,DNA损伤修复按其机制可分为: 损伤修复机制（repair mechanisms） 损伤耐受机制（tolerance mechanisms）,遗传毒性的机制,(一) 损伤的逆转直接修复,损伤修复机制(repair mechanisms),碱基切除修复(Base excision repair, BER),(二) 切除修复,切除和替换损伤的DNA碱基 受损碱基移除由DNA糖基化酶启动,由多个酶共同完成 主要针对DNA单链断裂、小的碱基改变及氧化性损伤,核苷酸切除修复(Nucleotide excision repair, NER),最常见，是体内识别 DNA 损伤最多的修复通路 在DNA内切酶、外切酶、 DNA聚合酶、DNA连接酶等共同作用下，将DNA受损部位切除，并以另一条完整的DNA链为模板，再填补切去的部分,（四）链断裂的修复,（五）交联修复,（六）跨损伤的DNA合成,（三）错配修复(mismatch repair,MMR),损伤耐受机制(tolerance mechanisms)-未清除DNA损伤，但可允许细胞存活,（一）重组修复 复制后修复,（二）SOS修复,在大肠杆菌，阻止DNA复制的损伤等可诱发SOS修复系统，即诱导细胞产生特殊的DNA聚合酶，以不严格的碱基配对使复制通过损伤部位 通过SOS修复，细胞得以存活，但常导入错误的碱基，故为易错修复,常见的DNA损伤及其修复机制,错配修复,切除修复,直接修复,双链损伤,单链损伤,单个核苷 酸的短补 片添加,转录偶联 性NER,多个核苷 酸的长补 片合成,全基因 组NER,碱基切除修复,核苷酸切除修复,非同源性末端连接,同源重组,DNA修复,三、整倍体和非整倍体的形成,对DNA合成和修复有关的酶系统的作用 对纺锤体的毒作用 与微管蛋白二聚体结合 与微管上的巯基结合 破坏已组装的微管 妨碍中心粒移动,遗传毒性的机制,表观遗传突变(epimutation) 与突变,环境因素可以通过基因组的可遗传的变异导致有害的表型改变。然而, 突变并不是基因组可遗传变异的唯一机制。环境物质也可直接或间接改变甲基化模式和表观遗传状态等非DNA序列信息，导致功能基因表达改变，引起表型的改变。,遗传毒物的作用机制,致突变机制模式,DNA损伤修复突变,第四节 遗传毒性的后果,遗传毒物,遗传毒性的后果,遗传负荷(genetic load):一个群体由于有害等位基因存在而使适应度下降的现象。以人群中平均每个个体携带的有害基因的数量来表示 。,第五节 遗传毒性的检测方法,检测基因突变 检测染色体畸变 检测DNA损伤,检测基因突变,细菌回复突变试验,哺乳动物细胞基因突变试验,昆虫突变试验,哺乳动物体内突变分析,昆虫突变试验,检测基因突变,分子生物学技术,基因组测序 基因芯片 转基因动物突变检测系统 ,检测染色体畸变,哺乳动物体外细胞遗传学分析,哺乳动物体内细胞遗传学分析,检测DNA损伤,DNA链断裂 程序外DNA合成(UDS) DNA加合物的检测 DNA修复的检测 姐妹染色单体交换（SCE） 单细胞凝胶电泳,第六节 遗传毒性的评价,根据不同的测试对象和目的选择试验组合,遗传试验组合的原则,试验组应能检测多个遗传学终点 指示生物应包括几个进化阶段，至少要包括原核细胞与真核细胞两个系统 应包括体细胞和生殖细胞突变试验 应包括体内试验与体外试验 体外试验应包括加与不加代谢活化系统,一些国家新药遗传毒性评价的项目,判断化合物是否有致突变性的标准,阳性：在检出任一遗传学终点的生物学试验中 呈现阳性反应的物质 阴性：需检测五种遗传学终点的一系列试验中 均为阴性 DNA完整性改变 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 确