毒理学基础：第七章 外源化学物致突变作用

1、1 第七章第七章 外源化学物致突变作用外源化学物致突变作用 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 致突变的类型致突变的类型 第三节第三节 致突变作用的机制及后果致突变作用的机制及后果 第四节第四节 机体对致突变作用的影响机体对致突变作用的影响 第五节第五节 观察致突变作用的影响观察致突变作用的影响 2 外源化合物致突变作用及其评价外源化合物致突变作用及其评价 v特殊毒性一般指特殊毒性一般指“三致作三致作 用用” 和生殖毒性；和生殖毒性； v致突变、致癌性和致畸形，致突变、致癌性和致畸形， 简称简称“三致三致”。 3 第一节第一节 概概 述述 一、基本概念一、基本概念 1、遗传：生物物种以相对稳

2、定的状态存在于：生物物种以相对稳定的状态存在于 自然界，并繁衍子代的过程。自然界，并繁衍子代的过程。 遗传是保持生物种族特性的根本。遗遗传是保持生物种族特性的根本。遗 传的稳定是相对的，一方面生物的遗传物传的稳定是相对的，一方面生物的遗传物 质在自我复制过程中有可能发生改变；另质在自我复制过程中有可能发生改变；另 一方面生物个体发育在受到复杂变化的内一方面生物个体发育在受到复杂变化的内 外环境条件影响下，性状的发育可能有所外环境条件影响下，性状的发育可能有所 不同。不同。 4 2、变异（variation）：生物体历代之间或同一代）：生物体历代之间或同一代 不同个体之间出现的各种差异，是生物物

3、种不同个体之间出现的各种差异，是生物物种 推陈出新的来源。推陈出新的来源。 造成生物变异的原因：造成生物变异的原因： 亲代个体杂交产生子体，由于重组而发生。亲代个体杂交产生子体，由于重组而发生。 由于基因突变而发生，是新基因产生的根本由于基因突变而发生，是新基因产生的根本 来源。来源。 由于生物的染色体组成或细胞质发生变化而由于生物的染色体组成或细胞质发生变化而 产生。产生。 5 3、突变、突变(mutation)：遗传结构本身的变化及引起：遗传结构本身的变化及引起 的变异。的变异。 自发突变：自发突变：自然条件下发生地突变。自然条件下发生地突变。 诱发突变：诱发突变：由于物理、化学、生物等环

4、境因素引由于物理、化学、生物等环境因素引 起的突变起的突变 。 6 突变本来是生物界的一种自然现象，是生物突变本来是生物界的一种自然现象，是生物 进化的基础，从生物进化的观点看，突变对生物进化的基础，从生物进化的观点看，突变对生物 界是有利的。界是有利的。 农、林、牧、渔业和园艺学家的育种，就是农、林、牧、渔业和园艺学家的育种，就是 通过定向突变及筛选，培育出优良新种。通过定向突变及筛选，培育出优良新种。 但化学物、环境污染物引起的突变但化学物、环境污染物引起的突变可能给可能给人人 类健康带来危害。类健康带来危害。 7 4、致突变物、致突变物(mutagen)：能够引起突变的物质，：能够引起突

5、变的物质， 又称诱变剂。又称诱变剂。 5、致突变性（、致突变性（mutagenicity）：化学物质或其他）：化学物质或其他 环境因子引起遗传物质发生突变的能力。环境因子引起遗传物质发生突变的能力。 6、致突变作用、致突变作用(mutagenesis)：化学物引起细胞核：化学物引起细胞核 中的遗传物质发生改变的能力，而且此种改变中的遗传物质发生改变的能力，而且此种改变 可随细胞分裂过程而传递。可随细胞分裂过程而传递。 8 二、基础知识回顾二、基础知识回顾 （一）（一）DNA分子结构分子结构 1、碱基（嘌呤、嘧啶）、碱基（嘌呤、嘧啶） 2、戊糖、戊糖 3、磷酸、磷酸 9 10 A G T C U

6、 11 DNA双螺旋结构示意图 12 1、定义：带有一定的遗传信息并能产、定义：带有一定的遗传信息并能产 生某种功能产物的生某种功能产物的DNA分子片段。分子片段。 2、基因结构：见下表、基因结构：见下表 3、基因功能：、基因功能：DNARNA多肽多肽蛋蛋 白质白质酶酶表达。表达。 （二）基因（二）基因 13 基因结构示意图 14 （三）染色体及细胞分裂周期（三）染色体及细胞分裂周期 1、染色体：、染色体：DNA+蛋白蛋白 质（组蛋白、非组蛋质（组蛋白、非组蛋 白），细胞分裂中期，白），细胞分裂中期， 呈呈形。人形。人23对对46条。条。 15 16 2、细胞的有丝分裂周期：、细胞的有丝分裂周

7、期： 细胞周期的概念：细胞周期的概念： 细胞分裂周期（细胞分裂周期（cell divide cycle，CDC）：）： 指细胞生长，分裂时，依次经过指细胞生长，分裂时，依次经过G1，S，G2，M期，期， 一分为二，周而复始的过程；细胞周期普遍存在于动植物一分为二，周而复始的过程；细胞周期普遍存在于动植物 细胞增殖过程中。细胞增殖过程中。 17 细胞有丝分裂周期示意图细胞有丝分裂周期示意图 18 第二节第二节 突变的类型突变的类型 基因突变基因突变：基因中：基因中DNA序列的变化（染色体损伤序列的变化（染色体损伤 0.2um）。）。 染色体畸变染色体畸变：染色体结构发生的改变，由染色体或染：染色

8、体结构发生的改变，由染色体或染 色单体发生断裂及断裂的不正确重接所致（染色体色单体发生断裂及断裂的不正确重接所致（染色体 损伤损伤0.2um）。）。 染色体数目改变染色体数目改变：基因组中染色体数目发生的改变。：基因组中染色体数目发生的改变。 19 一、基因突变一、基因突变 1、根据基因结构的改变分类：、根据基因结构的改变分类： 碱基置换碱基置换： 转换转换 颠换颠换 后果：可造成一个后果：可造成一个 三联体密码子的改三联体密码子的改 变，可能出现同义变，可能出现同义 密码、错义密码和密码、错义密码和 终止密码。终止密码。 20 21 移码突变移码突变：是：是DNA中增加或减少不为中增加或减少

9、不为3的倍数的碱的倍数的碱 基所造成的突变。基所造成的突变。 后果：形成错误的密码，转译成不正常的氨基酸。后果：形成错误的密码，转译成不正常的氨基酸。 22 移码突变示意图 23 2、根据突变的后果分类、根据突变的后果分类 同义突变同义突变：没有改变氨基酸序列的改变。：没有改变氨基酸序列的改变。 错义突变错义突变：碱基序列的改变引起了编码的氨基：碱基序列的改变引起了编码的氨基 酸序列的改变。酸序列的改变。 无义突变无义突变：碱基的改变使代表某个氨基酸的密：碱基的改变使代表某个氨基酸的密 码子变成蛋白质合成的终止密码子，导致多码子变成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的一类突

10、变。肽链在成熟之前终止合成的一类突变。 24 酪氨酸酪氨酸 丝氨酸丝氨酸 25 3、按照突变的方向分类、按照突变的方向分类 正向突变正向突变：改变了野生型性状的突变。：改变了野生型性状的突变。 回复突变回复突变：突变体通过第二次突变恢复失去：突变体通过第二次突变恢复失去 的野生型性状。的野生型性状。 正向突变正向突变 野生型野生型=突变型突变型 回复突变回复突变 26 二、染色体畸变二、染色体畸变 染色体型畸变：畸变涉及两条染色单体染色体型畸变：畸变涉及两条染色单体 染色单体型畸变：畸变仅发生在一条染色单体染色单体型畸变：畸变仅发生在一条染色单体 稳定性染色体畸变：缺失、裂隙、对称性互换、稳定

11、性染色体畸变：缺失、裂隙、对称性互换、 臂间倒位等臂间倒位等 非稳定性染色体畸变：双着丝点、无着丝点断非稳定性染色体畸变：双着丝点、无着丝点断 片、环等片、环等 有着丝点，能进行有丝分裂，有着丝点，能进行有丝分裂， 细胞的复制不受影响，畸变细胞的复制不受影响，畸变 可以稳定存在。可以稳定存在。 畸变在细胞分裂过程中很容畸变在细胞分裂过程中很容 易丢失。易丢失。 27 缺失缺失：染色体丢失了片段。（：染色体丢失了片段。（无着丝粒断片无着丝粒断片） 重复重复：在一套染色体里，同一个染色体片段出：在一套染色体里，同一个染色体片段出 现不只一次。（现不只一次。（插入插入） 倒位倒位：染色体片段被颠倒，

12、包括臂间倒位和臂：染色体片段被颠倒，包括臂间倒位和臂 内倒位。内倒位。 易位易位：染色体片段位置改变：染色体片段位置改变 环状染色体环状染色体：染色体两臂各发生一次断裂，重：染色体两臂各发生一次断裂，重 接形成环状结构。接形成环状结构。 28 缺失（缺失（interstitial deletion,delinterstitial deletion,del） 1 2 3 4 5 6 7 5 1 2 3 4 6 7 1 2 3 4 5 6 7 29 插入（插入（insertion,insinsertion,ins） R A B 1 2 3 4 5 6 7 R A B 1 2 3 4 5 6 7 B

13、 5 6 7 30 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 重复（重复（duplication,dupduplication,dup） 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 5 1 2 3 4 6 7 31 1 2 3 4 5 6 7 臂内倒位（臂内倒位（paracentric inversionparacentric inversion） 1 2 3 4 5 6 7 5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 6 5 32 臂间倒位（臂间倒位（pericentric inversionpericentric inversion

14、） 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 3 4 1 2 4 3 5 6 7 3 4 3 4 3 4 3 4 33 R A B 1 2 3 4 5 6 7 相互易位（相互易位（reciprocal translocationreciprocal translocation） R A B 1 2 3 4 5 6 7 7 B 34 R A B 1 2 3 R 罗伯逊易位罗伯逊易位（Robertsonian translocation） R A B 1 2 3 R R R A B A B A B A B A B B A 35 环状染色体（环状染色体（ring chromosome,

15、rring chromosome,r） 36 37 三、染色体数目改变三、染色体数目改变 整倍体畸变：染色体数目以染色体组为单位的增减。整倍体畸变：染色体数目以染色体组为单位的增减。 23对，对，69对，葡萄胎（三倍体）对，葡萄胎（三倍体） 非整倍体畸变：染色体的增加或减少不是染色体组的非整倍体畸变：染色体的增加或减少不是染色体组的 整倍数。整倍数。 v45-OX，先天性卵巢发育不全，先天性卵巢发育不全 1/2500 v47XXY，先天性睾丸发育不全，先天性睾丸发育不全 1/700 v21-三体，三体，Downs S 38 21三体综合症 39 第三节第三节 致突变作用的机制及后果致突变作用的

16、机制及后果 公认的致突变机制：公认的致突变机制：DNA损伤损伤-修复修复-突变模型突变模型 一、引起突变的一、引起突变的DNA变化变化 1.碱基损伤碱基损伤 碱基错配碱基错配 烷化剂：对烷化剂：对DNA和蛋白质都有强烈烷化作用的物质。和蛋白质都有强烈烷化作用的物质。 烷化作用：指烷化剂提供甲基或乙基等烷基与烷化作用：指烷化剂提供甲基或乙基等烷基与DNA共价共价 结合的过程。结合的过程。 烷化活性：甲基化乙基化高碳烷基化烷化活性：甲基化乙基化高碳烷基化 最常发生烷化作用的部位：鸟嘌呤最常发生烷化作用的部位：鸟嘌呤N-7位、位、O-6位腺嘌呤位腺嘌呤 N-1、N-3、N-7位位 40 烷化剂烷化剂

17、如甲基黄酸乙脂（EMS），氮芥 (NM)，甲基黄酸甲脂（MMS），亚硝基胍 （NG）等，它们的作用是使碱基烷基化， EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化， 结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别和T、G 配对，导致G C对转换成A T对；T A 对转换成C G 41 平面大分子嵌入平面大分子嵌入DNA链链 嵌入剂：能够嵌入嵌入剂：能够嵌入DNA单链的单链的 碱基之间或碱基之间或DNA双螺旋结构双螺旋结构 的相邻多核苷氨酸链之间的的相邻多核苷氨酸链之间的 大分子。大分子。 结构特点：多环的的平面结构结构特点：多环的的平面结构 嵌入形式：静电吸附嵌入形式：静电吸附 例：原黄素、例：原

18、黄素、 2氨基吖啶、氨基吖啶、 ICR170等能嵌入等能嵌入DNA双链双链 中心的碱基之间，引起单一中心的碱基之间，引起单一 核苷酸的缺失或插入。核苷酸的缺失或插入。 42 5-溴尿嘧啶和溴尿嘧啶和T很相似，仅在第很相似，仅在第5个碳元子个碳元子 上由上由Br取代了甲基，取代了甲基， 5-BU有酮式，烯醇式两种有酮式，烯醇式两种 异构体，可分别与异构体，可分别与A及及G配对结合配对结合 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式 碱基类似物取代碱基类似物取代 碱基类似物的结构与碱基非常相似，能在碱基类似物的结构与碱基非常相似，能在 DNA复制时掺入并与互补链上的碱基配对。复制时掺入并

19、与互补链上的碱基配对。 43 2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常状也是碱基的类似物，有正常状 态和稀有状态两种异构体，可分别与态和稀有状态两种异构体，可分别与T和和C配对配对 结合。当结合。当2-AP掺入到掺入到 DNA复制中时，由于其异复制中时，由于其异 构体的变换而导致构体的变换而导致A T G C A 2A P 2A P* G T T C C 44 碱基化学结构的改变碱基化学结构的改变 对碱基产生氧化作用，对碱基产生氧化作用， 破坏碱基结构，可能引起破坏碱基结构，可能引起 链断裂。链断裂。 v 亚硝酸可以在亚硝酸可以在pH5的缓冲的缓冲 溶液中通过氧化作用，以溶液中

20、通过氧化作用，以 氧代替腺膘玲和胞嘧啶氧代替腺膘玲和胞嘧啶C6 位置上的氨基，使腺嘌呤位置上的氨基，使腺嘌呤 （A）变成次黄嘌呤）变成次黄嘌呤(H)、 胞嘧啶（胞嘧啶（C）变成尿嘧啶）变成尿嘧啶 （U） HC；AU。在下一次。在下一次 DNA复制时完成复制时完成ATGC， GCAT的转换。的转换。 45 2、 DNA链受损链受损 二聚体的形成二聚体的形成 紫外线的作用机制： n激发作用激发作用 使原子外围的电子活跃起来，造成基因分子使原子外围的电子活跃起来，造成基因分子 链的离析。这些分子链已经离析的基因在重新组合的时链的离析。这些分子链已经离析的基因在重新组合的时 候，发生差错，出现基因突变

21、。候，发生差错，出现基因突变。 n促使胸腺嘧啶联合成二聚体；促使胸腺嘧啶联合成二聚体； n将胞嘧啶脱氨成尿嘧啶，将胞嘧啶脱氨成尿嘧啶， n将水加到嘧啶的将水加到嘧啶的C4、C5位置上成为光产物。位置上成为光产物。 46 DNA加合物加合物 活性化学物与细胞大分子之间通过共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，可引起碱基置换价键形成的稳定复合物，可引起碱基置换 或移码突变，还可活化癌基因，影响调节或移码突变，还可活化癌基因，影响调节 基因和抑癌基因的表达。基因和抑癌基因的表达。 DNA-蛋白质交联物蛋白质交联物 DNA和蛋白质的共价结合，对和蛋白质的共价结合，对DNA构构 象与

22、功能产生严重影响。象与功能产生严重影响。 47 二、引起突变的细胞分裂过程的改变二、引起突变的细胞分裂过程的改变 1、纺锤体抑制：、纺锤体抑制： 与微管蛋白二聚体结合与微管蛋白二聚体结合 与微管上的巯基结合与微管上的巯基结合 已组装好的微管的破坏已组装好的微管的破坏 中心粒移动受阻中心粒移动受阻 其他作用：其他作用：N2O 2、对酶促过程的作用、对酶促过程的作用 48 三、其他的改变三、其他的改变 对对DNA合成和修复有关的酶系统的改变。合成和修复有关的酶系统的改变。 1、DNA复制的高保真性复制的高保真性 2、修复、修复 49 四、突变后果四、突变后果 1. 1. 体细胞突变的后果体细胞突变

23、的后果 肿瘤、老化、动脉粥样硬化和致畸等。肿瘤、老化、动脉粥样硬化和致畸等。 2. 2. 生殖细胞突变的后果生殖细胞突变的后果 致死性致死性 显性致死显性致死 隐性致死隐性致死 非致死性非致死性 显性遗传病显性遗传病 隐形遗传病隐形遗传病 基因库：一种物种的群体中生殖细胞内具有的、并能传给后代基因库：一种物种的群体中生殖细胞内具有的、并能传给后代 的基因总和。的基因总和。 遗传负荷：一种物种群体中每一个体携带的可遗传给后代的有遗传负荷：一种物种群体中每一个体携带的可遗传给后代的有 害基因的水平。害基因的水平。 遗传病：个体生殖细胞或受精卵的遗传物质发生突变引起的疾遗传病：个体生殖细胞或受精卵的

24、遗传物质发生突变引起的疾 病，分为基因病和染色体病。病，分为基因病和染色体病。 50 51 （一）直接修复（一）直接修复 1、光复活修复、光复活修复 依赖光裂合酶针对依赖光裂合酶针对 紫外线损伤产生紫外线损伤产生 的胸腺嘧啶二聚的胸腺嘧啶二聚 体的修复机制。体的修复机制。 一、一、DNA损伤的修复损伤的修复 第四节第四节 机体对致突变作用的影响机体对致突变作用的影响 52 2、“适应性适应性”反应反应 O6-烷基鸟嘌呤烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶通过烷基转移酶通过 去烷基化作用直接恢复正常碱基而得到修去烷基化作用直接恢复正常碱基而得到修 复。复。 53 （二）碱基切除修复（二）碱基切除修复 D

25、NA糖基酶特异性很强，是细胞对碱基氧糖基酶特异性很强，是细胞对碱基氧 化损伤的主要防御系统。化损伤的主要防御系统。 54 （三）核苷酸切除修复（三）核苷酸切除修复 最常见的修复机制，基本上能修复所有种类的最常见的修复机制，基本上能修复所有种类的 DNA损伤。损伤。 55 （四）双链断裂修复（四）双链断裂修复 1、同源重组修复、同源重组修复 特点：可以从同源双特点：可以从同源双 螺旋中重新获得因螺旋中重新获得因 双螺旋断裂丢失的双螺旋断裂丢失的 信息。信息。 56 2、非同源性末端连接、非同源性末端连接 特点：完全不需要任何模版的帮助特点：完全不需要任何模版的帮助 一般只是简单地通过非同源末端连

26、接过一般只是简单地通过非同源末端连接过 程将两个断裂末端拼接。非同源末端连接程将两个断裂末端拼接。非同源末端连接 过程对断裂末端并没有特异性识别功能。过程对断裂末端并没有特异性识别功能。 当细胞内存在两个以上断裂末端时，很可当细胞内存在两个以上断裂末端时，很可 能发生错误重接导致染色体结构变异。能发生错误重接导致染色体结构变异。 如果断裂末端存在核苷酸损失，为了保持如果断裂末端存在核苷酸损失，为了保持 连接双螺旋的结构正常，拼接前可能需将连接双螺旋的结构正常，拼接前可能需将 两个断裂末端切齐，从而导致碱基缺失突两个断裂末端切齐，从而导致碱基缺失突 变。变。 57 （五）交联修复（五）交联修复

27、1、无误交联修复、无误交联修复 降解双螺旋，使链内交联转变为链内降解双螺旋，使链内交联转变为链内 二核苷酸加合物接连于双链断裂处，随后二核苷酸加合物接连于双链断裂处，随后 Hollidy连接体分解，核苷酸切除修复最连接体分解，核苷酸切除修复最 终去除二核苷酸交联。终去除二核苷酸交联。 2、易误交联修复、易误交联修复 包括整个核苷酸切除系统和易误包括整个核苷酸切除系统和易误DNA 聚合酶。聚合酶。 58 二、遗传因素对致突变作用的影响二、遗传因素对致突变作用的影响 1、代谢酶遗传多态性、代谢酶遗传多态性 氧化代谢酶、酯酶、谷胱甘肽硫转移酶氧化代谢酶、酯酶、谷胱甘肽硫转移酶 2、修复功能的个体差异

28、、修复功能的个体差异 O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶（甲基转移酶（MGMT） 聚（二磷酸腺苷聚（二磷酸腺苷-核糖）多聚酶（核糖）多聚酶（PARP） 59 第五节第五节 致突变性评价方法致突变性评价方法 致突变试验作用：致突变试验作用： l 鉴定生殖和体细胞的致突变物鉴定生殖和体细胞的致突变物 l 预测潜在致癌物预测潜在致癌物 l 环境致突变物的监测与评价环境致突变物的监测与评价 60 （一）遗传学终点和成套实验（一）遗传学终点和成套实验 1、观察终点的类型、观察终点的类型 包括原发性包括原发性DNA损伤、基因突变、染色体畸损伤、基因突变、染色体畸 变和染色体组畸变。变和染色体组

29、畸变。 2、成套实验、成套实验 原则：包括每一类型的遗传学终点原则：包括每一类型的遗传学终点 实验材料涉及病毒、细菌、霉菌、昆实验材料涉及病毒、细菌、霉菌、昆 虫、植物、细胞和哺乳动物等虫、植物、细胞和哺乳动物等 体内试验与体外试验配合体内试验与体外试验配合 61 （二）常用的致突变试验（二）常用的致突变试验 1 1、 细菌回复突变试验细菌回复突变试验(Ames Test)(Ames Test) 原理：原理： 正向突变正向突变 鼠伤寒沙门菌鼠伤寒沙门菌 雄鼠雄鼠 一批一批/每周，共每周，共6-8周周-雌鼠雌鼠 -合笼交配合笼交配-观察胚体死亡情况观察胚体死亡情况 70 7、程序外、程序外DNA

30、合成试验（合成试验（unscheduled DNA synthesis, UDS试验）试验） 检测终点：检测终点：DNA损伤，由于正常损伤，由于正常DNA合成是在合成是在S期合成，期合成， 而而DNA损伤修复所涉及的损伤修复所涉及的DNA合成主要是在合成主要是在S期以期以 外的外的G1或或G2期进行，即叫程序外期进行，即叫程序外DNA合成。合成。 原理：通过检测原理：通过检测DNA损伤后的修复情况来间接反映损损伤后的修复情况来间接反映损 伤本身。伤本身。 常用细胞：外周血淋巴细胞、大鼠原代培养肝细胞、常用细胞：外周血淋巴细胞、大鼠原代培养肝细胞、 人成纤维细胞及人成纤维细胞及Hela细胞等。细

31、胞等。 71 8、单细胞凝胶电泳试验、单细胞凝胶电泳试验(single cell gel electrophores), 也叫彗星试验也叫彗星试验(comet test) 外源化学物外源化学物-DNA断裂断裂-碱性处理碱性处理 使使DNA解旋解旋-电泳、分离形成彗星。电泳、分离形成彗星。 72 73 9、精子畸形试验、精子畸形试验 通过检查精通过检查精 子的头部、颈、子的头部、颈、 尾部和顶体等形尾部和顶体等形 态学改变，以检态学改变，以检 测化学物质对精测化学物质对精 子的遗传毒性。子的遗传毒性。 74 10、致突变试验方法的新进展、致突变试验方法的新进展 转基因动物致突变检测系统转基因动物致突变检测系统 转基因动物：指基因组中整合了以实验方转基因动物：指基因组中整合了以实验方 法导入的法导入的DNA，并能稳定地遗传给后，并能稳定地遗传给后 代的一类动物。代的一类动物。 常用动物：常用动物：BigBlue小鼠和小鼠和MutaMouse小小 鼠。鼠。 75 现代分子生物学技术在基因突变