北京大学《药物毒理学》5遗传毒理学

遗传毒理学GeneticToxicology 北京大学公共卫生学院毒理学系郝卫东 遗传毒理学 GeneticToxicology 是研究化学 物理因素对遗传物质 DNA 及活细胞遗传过程的作用 以及人类接触致突变物可能引起健康效应的学科 遗传毒理学主要研究致突变的作用机理 应用检测系统发现和探究致突变物 提出评价致突变物健康危害的方法 遗传毒性 genetictoxicity 指对基因组的损害能力 包括对基因组毒作用引起的致突变性及其他不同效应 致突变性 mutagenicity 指引起遗传物质发生突变的能力 在一个实验群体中突变率可以定量检测 遗传毒性的概念更为广泛 它包括致突变性 突变 mutation 遗传结构本身的变化及引起的变异 是遗传物质的一种可遗传的变异 自发突变 spontaneousmutation 诱发突变 inducedmutation 化学致突变作用 chemicalmutagenesis 诱变剂 mutagen 直接诱变剂 direct actingmutagen 间接诱变剂 indirect actingmutagen 死亡 中毒 患病 亚临床变化 体内过量负荷 致突变作用 致癌作用 毒作用效应谱 spectrumoftoxiceffects 药物遗传毒性评价 致突变作用的分类 基因突变 genemutation base pairsubstitutionmutationframeshiftmutation染色体突变 chromosomemutation chromosomeaberrationchromatridaberration基因组突变 genomicmutation aneuploideuploid A T C 碱基置换 示意图 G G C 基因突变 G T G A C G A T C A T A T A T 致突变作用的分类 基因突变 genemutation base pairsubstitutionmutationframeshiftmutation染色体突变 chromosomemutation 基因组突变 genomicmutation 致突变作用的分类 基因突变 genemutation 染色体突变 chromosomemutation chromosomeaberrationchromatridaberration基因组突变 genomicmutation aneuploideuploid 致突变作用的分类 基因突变 genemutation 染色体突变 chromosomemutation 基因组突变 genomicmutation aneuploideuploid 不同物种动物的染色体数目 物种体细胞 2n 性细胞 n 物种体细胞 2n 性细胞 n 人4623猫3819大鼠4221兔4422小鼠4020狗7839 致突变作用机制 基因突变 染色体畸变DNA损伤非整倍体 整倍体有丝分裂或减数分裂器损伤 致突变作用机制 基因突变 染色体畸变DNA损伤非整倍体 整倍体有丝分裂或减数分裂器损伤 对纺锤体的毒作用机制 与微管蛋白二聚体结合 妨碍微管的正确组装 发生细胞分裂完全抑制 如秋水仙碱 长春花碱 长春新碱等 与微管上的巯基结合 细胞分裂不完全抑制 如铅 锌 汞 砷等 破坏已组装好的微管 如灰黄霉素 秋水仙碱 乙酰甲基秋水仙碱 长春花碱可导致组装好的微管解聚 毛地黄皂苷能通过非特异的蛋白质变性作用而破坏微管 异丙基 N 氨基甲酸苯酯和其它氨基甲酸酯能使微管失去定向能力 妨碍中心粒移动 秋水仙碱能妨碍有丝分裂早期两对中心粒的分离和移向两极 DNA损伤 DNA损伤感受器 DNA修复 转录应答 DNA损伤关卡 凋亡 DNA损伤修复途径直接修复光复活 嘧啶二聚体 6 4光化合物O6 甲基鸟嘌呤 DNA甲基转移酶修复 O6 甲基鸟嘌呤切除修复碱基切除修复 嘧啶二聚体 氧化损伤 辐射 烷化剂引起的损伤核苷切除修复 底物范围宽错配碱基修复 错配碱基双链断裂修复同源重组 双链断裂非同源末端连接 双链断裂交联修复 DNA链内交联 估计的人类内源性DNA损伤和修复过程 损伤类型损伤发生率最大修复速度 脱嘌呤1000a脱嘧啶55a胞嘧啶脱氨15a单链断裂50002 105N7 甲基化鸟嘌呤3500aO6 甲基化鸟嘌呤130104氧化性产物120105 注 损伤发生率以每小时每细胞发生次数计 最大修复速度以每小时每细胞修复的碱基对数计 a指虽已测出实际的值 但估计最大修复速度为发生率的2倍以上 致突变作用的不良后果 哺乳动物诱发突变体细胞突变生殖细胞突变动脉粥未知衰老肿瘤畸胎显性致死出生缺陷样硬化疾病 胚胎接 不可遗传遗传负荷触毒物 的改变 先天疾病 基因突变小的缺失平衡易位 给有效剂量的诱变剂 致癌作用多阶段模式图 化学因素物理因素生物因素 环境因素 原癌基因癌基因 原癌基因点突变原癌基因扩增染色体易位与基因重排原癌基因抑制解除原癌基因缺失 人类单基因遗传病病种历年增加趋势 1966196819711975197819831986 常染色体显性8377939431215148918272201常染色体隐性531629783947111712981420X连锁119123150171205243286 合计1487154518762336281133683907 遗传性疾病发生率 在新生儿中1 患有染色体显性突变的疾病 如家族性息肉 多发性神经纤维瘤等 0 25 患者有常染色体隐性突变的疾病 如着色性干皮病 苯丙酮尿症等 0 5 患有性连锁的疾病 如假肥大性肌营养障碍 血友病等 0 4 的患有与易位及非整倍体等染色体异常有关的疾病3 6 的新生儿患先天畸形如果包括那些通常要在晚些时候才发生的和遗传有关的多病因疾病 如心脏病 高血压和糖尿病等 受影响的人群比例可达60 以上 致突变作用的不良后果 哺乳动物诱发突变体细胞突变生殖细胞突变动脉粥未知衰老肿瘤畸胎显性致死出生缺陷样硬化疾病 胚胎接 不可遗传遗传负荷触毒物 的改变 先天疾病 基因突变小的缺失平衡易位 给有效剂量的诱变剂 遗传毒理学试验 基于表型改变捡测基因突变及小缺失 通过细胞学的方法观察大的染色体损伤 直接检测DNA损伤 如DNA加合物测定 DNA链断裂测定等 或间接反映DNA损伤 如DNA损伤修复发生的检测等 的试验方法 目的 评价遗传危害性预测致癌性分类 基因突变试验 assaysforgenemutation 染色体损伤试验 assaysforchromosomedamage 非整倍体试验 assaysforaneuploidy DNA损伤的试验 assaysforDNAdamage 遗传毒理学试验的基本类型 细菌回复突变试验Bacterialreversemutationassay AmesTest Ames试验原理 鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型原养型 his 突变株 his 代谢活化系统受试物 正向突变 回复突变 Ames试验标准试验菌株的基因型 菌株组氨酸靶部位的DNA序列其他基因标志突变部位野生型突变型TA1537C3076 GGGG 在G C重复区域rfa uvrB CCCC 移码突变TA97hisD6610 GGGGGG 在G C重复区域rfa uvrB pKM101 CCCCCC 移码突变TA98hisD3052 ACC GCC CGG CAG G ACC GCC GGC AGG rfa uvrB pKM101 TGG CGG GCC GTC C TGG CGG CCG TCC TA1535hisG46 GAG GGG rfa uvrB CTC CCC TA100hisG46 GAG GGG rfa uvrB pKM101 CTC CCC TA102hisG428 CAA TAA rfa pKM101 pAQ1 GTT ATT TA104hisG428 CAA TAA rfa uvrB GTT ATT pKM101 pAQ1 Ames测试菌株的遗传特性 特性选作测试菌株的理由raf改变细菌荚膜脂多糖屏障 使致突变物有更大的通透性 uvrB切除修复系统缺失 增加对很多致突变物的敏感性pKM101增强对某些其活性依赖于SOS系统的致突变物的敏感性pAQ1pAQ1上hisG428的回复性可被测试 仅诱发一种菌株回变的化学物数 时间总数TA98TAl00TAl535TAl537TAl538WP2uvrA 1979 19871051431138142 100 13 3 29 5 12 4 7 6 13 3 23 8 1985 198917433623014未测35 100 19 0 35 6 17 2 8 0 20 1 MaronandAmes 1983 TA97 TA98 TA100 TA102ICHTA98 TA100 TA1535 TA1537或TA97或TA97a TA102或E coliWP2uvrA或E coliWP2uvrA pKM101 Ames试验原理 鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型原养型 his 突变株 his 代谢活化系统受试物 正向突变 回复突变 真核细胞与原核细胞DNA的特征 真核细胞原核细胞 主要是二倍体主要是单倍体DNA与蛋白质复合构成染色体未与蛋白质复合DNA主要存在于细胞核中DNA在细胞质中不固定DNA是在有丝分裂特定时期中复制DNA复制不表现出形态学分期叫A包含在线性染色体中DNA常形成一圈染色体复制与分离须依赖名为复制与细胞器无关中心粒的细胞器常见重复的无功能的基因序列DNA中全部编码基因都有功能DNA模型中存在非编码间隔