食品毒理学(致突变)

1、1 外源性化学物致突变作用外源性化学物致突变作用 （Mutagenesis of Xenobiotics ) 2 掌握致突变作用的概念和突变掌握致突变作用的概念和突变 的类型的类型 熟悉致突变作用的后果熟悉致突变作用的后果 熟悉致突变作用评价方法熟悉致突变作用评价方法 了解致突变作用的遗传学基础了解致突变作用的遗传学基础 【目的要求目的要求】 3 基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作 用、致突变物用、致突变物 致突变的类型：基因突变、畸变、染色体致突变的类型：基因突变、畸变、染色体 数目改变数目改变 【内容内容】 4 致突变作用机制致突变作用机制 突变的后果

2、：生殖细胞突变，体细胞突变突变的后果：生殖细胞突变，体细胞突变 机体对致突变作用的影响机体对致突变作用的影响 致突变试验致突变试验 5 第一节第一节 概概 述述 6 遗传和变异 n遗传：亲代能产生与自己相似的后代的现象叫做遗传。 即俗语所说的“种瓜得瓜，种豆得豆”。遗传是保持种 族特性的根本，但遗传的稳定性是相对的。 n变异：亲代与子代之间、子代的个体之间，是绝对不会 完全相同的，总是或多或少地存在着差异，这样现象叫 变异。即俗语所说的“一母生九子，九子各不同”。变 异是生物体推陈出新的来源。 可遗传的变异（由遗传结构本身的变化引起的）突变突变 不可遗传的变异（由环境因素引起的变化） 7 孟德

3、尔为现代遗传学奠定了基础孟德尔为现代遗传学奠定了基础 8 孟德尔通过豌豆杂交实验，用抽象的遗传 因子来分析实验结果，揭示了单个性状遗 传的法则：和多个性状遗传的法 则：。 9 基因与染色体基因与染色体 在孟德尔的成果获得承认后，生物界在孟德尔的成果获得承认后，生物界 都知道是遗传因子（即基因）决定了都知道是遗传因子（即基因）决定了 生物性状的遗传。但是，生物性状的遗传。但是，基因究竟在基因究竟在 细胞内的什么地方？细胞内的什么地方？摩尔根以果蝇为摩尔根以果蝇为 试验对象回答了这一问题，试验对象回答了这一问题，基因在染基因在染 色体上色体上。 n摩尔根摩尔根(Morgan)(Morgan)以黑腹

4、以黑腹 果蝇为材料所进行的一果蝇为材料所进行的一 系列实验，导致了遗传系列实验，导致了遗传 学的许多重大发现。由学的许多重大发现。由 于在染色体遗传理论上于在染色体遗传理论上 的贡献，摩尔根于的贡献，摩尔根于19331933 年获诺贝尔医学和生理年获诺贝尔医学和生理 学奖，这是遗传学领域学奖，这是遗传学领域 的第一个诺贝尔奖。的第一个诺贝尔奖。 10 11 摩尔根在摩尔根在基因论基因论中绘制了果蝇中绘制了果蝇 基因位置图，首次完成了当时最新的基基因位置图，首次完成了当时最新的基 因概念的描述：因概念的描述： 基因基因是在染色体上呈线性排列的遗传是在染色体上呈线性排列的遗传 单位，它不仅是决定性

5、状的单位，它不仅是决定性状的功能单位功能单位， 也是一个也是一个突变单位突变单位和和交换单位交换单位。 至此，人们对基因概念的理解更加至此，人们对基因概念的理解更加 具体和丰富了。具体和丰富了。 12 摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义 人类第一次把基因与染色体联系起人类第一次把基因与染色体联系起 来，认为基因是一种物质，是染色体上来，认为基因是一种物质，是染色体上 的一个特定的区段。的一个特定的区段。 确立并发展了染色体的遗传理论。确立并发展了染色体的遗传理论。 13 14 15 A G T C 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 16

6、DNA的半保留复制 17 转录转录 翻译翻译 信使信使RNA 5端端 编码链编码链 3端端 氨基酸链氨基酸链 DNA遗传信息的转录和翻译遗传信息的转录和翻译 18 5端端3端端 19 突变（突变（mutation)：是指是指遗传物质遗传物质本身的本身的 变化及其引起的变化及其引起的可遗传的可遗传的变异。变异。 因为这种变化起源于基因和染色体，因此，因为这种变化起源于基因和染色体，因此， 是是可遗传的变异可遗传的变异 1901年年De Vries 首次提出突变这一术语首次提出突变这一术语 一、基本概念一、基本概念 20 自发突变自发突变(spontaneous mutation):是由是由 于普

7、遍存在的未知因素作用下，在自于普遍存在的未知因素作用下，在自 然条件下发生的突变。然条件下发生的突变。 如如1909年摩尔根发现在红眼果蝇中有年摩尔根发现在红眼果蝇中有 白眼果蝇白眼果蝇 v特点：特点：发生过程长、频率很低，与物发生过程长、频率很低，与物 种进化有关种进化有关 从发生原因上，可分为：从发生原因上，可分为： 21 诱发突变诱发突变(induced mutation)：是指人是指人 为地造成突变。为地造成突变。 如太空育种如太空育种 v特点：特点：发生过程短、频率高，既可被发生过程短、频率高，既可被 人类利用，也可能对人类产生危害人类利用，也可能对人类产生危害 22 突变研究简史突

8、变研究简史 年份年份事事 件件作者作者 1904发现发现X射线可以改变生殖细射线可以改变生殖细 胞的遗传物质胞的遗传物质 De Vries 1927用用X射线照射发现可以引起射线照射发现可以引起 基因突变基因突变 Muller 1943发现芥子气可诱发基因突变发现芥子气可诱发基因突变 和染色体畸变和染色体畸变 Averbach unusually small testes, sterile. Breast enlargement and other feminine body characteristics. Normal intelligence. 90 n47, XYY males: In

9、dividuals are somewhat taller than average and often have below normal intelligence. nTrisomy X: 47, XXX females. healthy and fertile - usually cannot be distinguished from normal female except by karyotype 91 nMonosomy X (Turners syndrome)特纳氏综合症特纳氏综合症 : the only viable monosomy in humans - women wi

10、th Turners have only 45 chromosomes! XO individuals are genetically female, however, they do not mature sexually during puberty and are sterile. Short stature and normal intelligence. (98% of these fetuses die before birth) 92 染色体结构改变染色体结构改变 nDeletion:cry of the cat A specific deletion of a small po

11、rtion of chromosome 5; these children have severe mental retardation, a small head with unusual facial features, and a cry that sounds like a distressed cat. 93 nDuplication: Fragile X: the most common form of mental retardation. The X chromosome of some people is unusually fragile at one tip - seen

12、 hanging by a thread under a microscope. Most people have 29 repeats at this end of their X-chromosome, those with Fragile X have over 700 repeats due to duplications. Affects 1:1500 males, 1:2500 females. 94 nTranslocation: cause difficulties in egg or sperm development and normal development of a

13、zygote. Acute Myelogenous Leukemia is caused by this translocation: 95 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 96 DNA执行高保真的复制执行高保真的复制 修复修复DNA损伤损伤 v损伤耐受机制损伤耐受机制:是指是指DNA遗传可绕过遗传可绕过 那些阻止那些阻止DNA复制的复制的DNA损伤机制损伤机制 v修复机制：直接修复和切除修复修复机制：直接修复和切除修复 遗传信息代遗传信息代 代相传，并代相传，并 且高度保真且高度保真 97 1.DNA损伤不仅可因外源性因素所致，损伤不仅可因外源性因素所致， 也可因

14、内源性因素所致也可因内源性因素所致 2.不同类型不同类型DNA损伤通过不同的损伤通过不同的DNA 修复途径修复修复途径修复 DNA损伤修复的一般特点损伤修复的一般特点 98 3.不同类型不同类型DNA损伤修复速度是不同的损伤修复速度是不同的 4.DNA损伤修复机制有些是基本的，有些损伤修复机制有些是基本的，有些 是可诱导的是可诱导的 5.DNA损伤修复功能存在物种和个体差异损伤修复功能存在物种和个体差异 99 一、一、DNA损伤的修复损伤的修复 1.光复活（光复活（photoreactivation)：修复紫外修复紫外 线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体，广泛存线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体，广泛存 在原

15、核和真核生物体内在原核和真核生物体内 2.“适应性适应性”反应：反应：主要是主要是O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 -DNA甲基转移酶（甲基转移酶（MGMT)修复鸟嘌修复鸟嘌 呤呤O6位的烷基化损伤位的烷基化损伤 100 101 3.切除修复切除修复 切除修复分为：切除修复分为： 碱基切除修复（碱基切除修复（BER)： 核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（NER)：总基因组修复总基因组修复 （GGR)；转录偶联修复（；转录偶联修复（TCR) 错配修复（错配修复（mismatch repair，MMR)： 识别并切除错配的碱基对，如识别并切除错配的碱基对，如G:T和和A:C 102 （1）识别：糖基化酶识

16、别）识别：糖基化酶识别异常的碱基，随异常的碱基，随 后使异常嘌呤的后使异常嘌呤的N-9位或异常嘧啶的位或异常嘧啶的N-3位与脱氧位与脱氧 核糖之间的键发生水解，形成无嘌呤或嘧啶的位核糖之间的键发生水解，形成无嘌呤或嘧啶的位 点（点（apurinic-apyrimidinic site, AP位点）位点） （2）AP内切酶将内切酶将DNA链切断链切断 （3）DNA聚合酶合成聚合酶合成DNA片段，填补片段，填补 空缺空缺 （4）DNA连接酶将新合成的补片接上连接酶将新合成的补片接上 103 碱碱 基基 切切 除除 修修 复复 104 核核 苷苷 酸酸 切切 除除 修修 复复 105 4.DNA双链

17、断裂双链断裂 修复修复 同源重组修复同源重组修复 （homology recombination， HR) 非同源末端连接非同源末端连接 (non-homology end joining， NHEJ) (实质上是耐受过实质上是耐受过 程，易错。程，易错。) 106 （1）诱导性修复）诱导性修复 （2）修复过程有）修复过程有明显的错误明显的错误 （3）SOS系统为多基因控制系统为多基因控制 特点特点 5.呼救性修复（呼救性修复（SOS修复）修复） 一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无 模板模板DNA 情况下合成酶的诱导修复。正常情况下无活情况下合

18、成酶的诱导修复。正常情况下无活 性有关酶系，性有关酶系，DNA受损伤而复制又受到抑制情况下发受损伤而复制又受到抑制情况下发 出信号，激活有关酶系，对出信号，激活有关酶系，对DNA损伤进行修复，其中损伤进行修复，其中 DNA多聚酶起重要作用，在无模板情况下，进行多聚酶起重要作用，在无模板情况下，进行DNA 修复再合成，并将修复再合成，并将DNA片段插入受损片段插入受损DNA空隙处，其空隙处，其 原则是：原则是：丧失某些信息而存活总比死亡好一些丧失某些信息而存活总比死亡好一些。 107 易错修复（易错修复（error-prone repair)：是指突是指突 变作为修复的结果或作为损伤旁路发变作为

19、修复的结果或作为损伤旁路发 生的生的DNA修复修复 光复活、适应性修复和切除修复倾向于无误光复活、适应性修复和切除修复倾向于无误 修复修复 SOS修复就是易错修复，是修复就是易错修复，是DNA受到受到严重严重损损 伤、细胞处于伤、细胞处于危急危急状态时所诱导的一种状态时所诱导的一种DNA 修复方式，修复结果只是能维持基因组的完修复方式，修复结果只是能维持基因组的完 整性，提高细胞的生存率，但留下的错误较整性，提高细胞的生存率，但留下的错误较 多，故又称为错误倾向修复（多，故又称为错误倾向修复（error-prone repair），使细胞有较高的突变率。），使细胞有较高的突变率。 108 10

20、9 DNA损伤、修复及后果损伤、修复及后果 110 遗传毒物遗传毒物 终致突变物终致突变物+DNA 解毒解毒 加合物加合物 DNA损伤损伤 修复修复无错无错 易错修复易错修复 复制后修复复制后修复 细胞死亡、细胞死亡、 静止状态静止状态 的细胞的细胞 DNA复制复制 加合的碱加合的碱 基错配基错配 损伤正在复损伤正在复 制的制的DNA 突突 变变 细胞细胞 存活存活 细胞细胞 存活存活 111 突变模式：突变模式： DNA损伤损伤-修复修复-突变突变 任何任何DNA损伤，只要修复无误，突变损伤，只要修复无误，突变 就不会发生，如果修复错误或未经修就不会发生，如果修复错误或未经修 复，损伤就固定

21、下来，于是发生突变复，损伤就固定下来，于是发生突变 112 第五节第五节 观察化学毒物致突变观察化学毒物致突变 作用作用 的基本方法的基本方法 （致突变试验（致突变试验/遗传毒性试验）遗传毒性试验） 113 检测外源化学物的致突变性检测外源化学物的致突变性(遗传遗传 毒性毒性)，预测其对哺乳动物和人的潜在，预测其对哺乳动物和人的潜在 致癌性，以及其他不良效应。致癌性，以及其他不良效应。 致突变试验致突变试验/遗传毒性试验的目的遗传毒性试验的目的 114 一、观察项目的选择一、观察项目的选择 1.观察效应终点（遗传学终点）的类型：观察效应终点（遗传学终点）的类型： （1）DNA碱基序列改变（基因

22、突变）碱基序列改变（基因突变） （2）染色体结构改变（染色体畸变）染色体结构改变（染色体畸变） （3）染色体数目改变（非整倍体和多倍体）染色体数目改变（非整倍体和多倍体） （4）DNA原始损伤、重组、交换等（致突变过程原始损伤、重组、交换等（致突变过程 中发生的其他事件，间接反映致突变的可能性）中发生的其他事件，间接反映致突变的可能性） 115 在实际工作中，没有一项致突变试验能在实际工作中，没有一项致突变试验能 涵盖所有的涵盖所有的遗传学终点遗传学终点，故需用一组试，故需用一组试 验配套进行检测。最理想的试验组应包验配套进行检测。最理想的试验组应包 括每一类型的遗传学终点，如回复突变括每一类

23、型的遗传学终点，如回复突变 试验、微核试验、细菌试验、微核试验、细菌DNA修复试验和修复试验和 体外姐妹染色单体交换试验（体外姐妹染色单体交换试验（SCE)，这，这 一组试验包括主要类型遗传学终点。一组试验包括主要类型遗传学终点。 2.试验组合的原则试验组合的原则 116 试验组应包括试验组应包括体内试验体内试验与与体外试验体外试验 （+S9和和-S9），体细胞体细胞突变试验和突变试验和生殖生殖 细胞细胞突变试验突变试验 试验组中的试验组中的指示生物指示生物应包括几个进化阶应包括几个进化阶 段，至少要包括段，至少要包括原核细胞原核细胞与与真核细胞真核细胞两两 个系统个系统 117 例如：食品安

24、全性毒理学评价明确要求例如：食品安全性毒理学评价明确要求 “遗传毒性试验的组合必须考虑原核细胞和真核细胞、生遗传毒性试验的组合必须考虑原核细胞和真核细胞、生 殖细胞和体细胞、体内和体外试验相结合的原则殖细胞和体细胞、体内和体外试验相结合的原则” 从从Ames试验或试验或V79/HGPRT基因突变试验基因突变试验、骨髓骨髓 细胞微核试验或哺乳动物骨髓细胞染色体畸变试验、细胞微核试验或哺乳动物骨髓细胞染色体畸变试验、TK 基因突变试验或基因突变试验或“小鼠精子畸形分析或睾丸染色体畸变小鼠精子畸形分析或睾丸染色体畸变 分析分析”中分别各选一项。中分别各选一项。P143 用何种方法组合来评价化学毒物，

25、主要取决于具体用何种方法组合来评价化学毒物，主要取决于具体 样品测试所依据的国家标准或规范样品测试所依据的国家标准或规范 118 二、常用的致突变试验二、常用的致突变试验 1.鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验 （Ames试验）试验） v原理：原理：检测受试物诱发鼠伤寒沙门检测受试物诱发鼠伤寒沙门 氏菌组氨酸营养缺陷型突变株氏菌组氨酸营养缺陷型突变株(his-) 回复突变成野生型回复突变成野生型(his+)的能力的能力 119 组氨酸突变菌组氨酸突变菌(his-) ：在不含组氨酸在不含组氨酸 的最低营养平皿上不能生长的最低营养平皿上不能生长 回复突变成野生型回复突变成野生型(

26、his+)：可在不含可在不含 组氨酸的最低营养平皿上生长组氨酸的最低营养平皿上生长 120 121 标准试验菌株有四种：标准试验菌株有四种：TA97和和TA98检检 测移码突变、测移码突变、TA100检测碱基置换突变、检测碱基置换突变、 TA102对醛、过氧化物及对醛、过氧化物及DNA交联剂较交联剂较 敏感敏感 这四个试验菌株除了含有这四个试验菌株除了含有his-突变，突变， 还有一些附加突变，以提高敏感性还有一些附加突变，以提高敏感性 122 只要在一种试验菌株得到阳性结果，即只要在一种试验菌株得到阳性结果，即 认为受试物是致突变物认为受试物是致突变物 仅当四种试验菌株均得到阴性结果，才仅当

27、四种试验菌株均得到阴性结果，才 认为受试物是非致突变物认为受试物是非致突变物 结果判断结果判断 123 v不加不加S9混合液得到阳性结果，说明受混合液得到阳性结果，说明受 试物是直接致突变物试物是直接致突变物 v加加S9混合液才得到阳性结果，说明该混合液才得到阳性结果，说明该 受试物是间接致突变物受试物是间接致突变物 124 2.微核试验（微核试验（micronucleus test，MNT) v微核（微核（micronucleus):是指染色体是指染色体 无着丝点断片或因纺锤体受损伤而无着丝点断片或因纺锤体受损伤而 丢失的整个染色体在细胞分裂的后丢失的整个染色体在细胞分裂的后 期仍留在子细胞

28、的胞质内，成为一期仍留在子细胞的胞质内，成为一 个或几个规则的次核个或几个规则的次核 125 126 正常细胞、微核细胞和核异常细胞正常细胞、微核细胞和核异常细胞 指示正常细胞；指示正常细胞； 指示微核细胞；指示微核细胞； 指示核异常细胞指示核异常细胞 （2.5100） 127 常用啮齿类动物常用啮齿类动物骨髓嗜多染红细胞骨髓嗜多染红细胞 (PCE)做微核试验做微核试验 PCE是红细胞成熟的一个阶段，此时是红细胞成熟的一个阶段，此时 红细胞的主核已排出，微核容易辩认，红细胞的主核已排出，微核容易辩认， PCE胞质含胞质含RNA，染色与成熟红细胞，染色与成熟红细胞 易于区别，故为骨髓微核试验的首

29、选易于区别，故为骨髓微核试验的首选 细胞群细胞群 128 正常细胞、微核细胞正常细胞、微核细胞 129 3、染色体畸变分析染色体畸变分析 chromosome aberration assay n观察染色体形态结构和数目改变，又称细胞遗传观察染色体形态结构和数目改变，又称细胞遗传 学试验。学试验。 n将观察细胞停留在细胞分裂中期相，用显微镜检将观察细胞停留在细胞分裂中期相，用显微镜检 查染色体畸变和染色体分离异常。查染色体畸变和染色体分离异常。 130 4 4、显性致死试验、显性致死试验 Dominant lethal test n显性致死突变指哺乳动物生殖细胞显性致死突变指哺乳动物生殖细胞染

30、色染色 体发生结构和数目变化体发生结构和数目变化，出现的受精卵，出现的受精卵 在着床前死亡和胚胎早期死亡。在着床前死亡和胚胎早期死亡。 n它是评价化学毒物对它是评价化学毒物对雄性雄性动物的动物的生殖细生殖细 胞胞遗传毒性较好的方法之一。遗传毒性较好的方法之一。 131 5 5、果蝇伴性隐性致死试验、果蝇伴性隐性致死试验 Sex-linked recessive lethal test, SLRL n利用隐性基因在伴性遗传中具有交叉遗传利用隐性基因在伴性遗传中具有交叉遗传 特征，选择黑腹果蝇，给雄蝇受试物，如特征，选择黑腹果蝇，给雄蝇受试物，如 雄蝇的雄蝇的X X染色体有突变染色体有突变，传给，

31、传给F1F1代雌蝇，再代雌蝇，再 通过通过F1F1代雌蝇传给代雌蝇传给F2F2代雄蝇，使位于代雄蝇，使位于X X染色染色 体上的隐性基因在半合型雄蝇表现出来。体上的隐性基因在半合型雄蝇表现出来。 132 133 n一条染色体的两条单体一条染色体的两条单体 在同一位置发生同源片在同一位置发生同源片 段的变换，称为姐妹染段的变换，称为姐妹染 色单体交换。由于交换色单体交换。由于交换 是对等的，所以染色体是对等的，所以染色体 的形状没有改变，但用的形状没有改变，但用 特殊的培养液和处理方特殊的培养液和处理方 法可以显示出来法可以显示出来 6、姐妹染色单体交换、姐妹染色单体交换 Sister-chro

32、matid exchange, SCE 134 135 nSCESCE的遗传学意义还不完全清楚，是否存在的遗传学意义还不完全清楚，是否存在 自发的自发的SCESCE也还有争议，交换的机理尚未完也还有争议，交换的机理尚未完 全阐明，但它显然与全阐明，但它显然与DNADNA损伤和修复过程有损伤和修复过程有 关。作为一种简便和敏感的遗传学指标，它关。作为一种简便和敏感的遗传学指标，它 在诱变和肿瘤研究等领域中的应用十分广泛。在诱变和肿瘤研究等领域中的应用十分广泛。 例如，目前已知许多环境诱变剂、职业有害例如，目前已知许多环境诱变剂、职业有害 因素、抗肿瘤药物、病毒等都可以引起因素、抗肿瘤药物、病毒等

33、都可以引起SCESCE 率增加，率增加，BloomBloom综合征患者和某些肿瘤患者综合征患者和某些肿瘤患者 的的SCESCE率也明显上升。率也明显上升。 136 7、荧光原位杂交技术荧光原位杂交技术 Fluorescence in situ hybridization, FISH n利用荧光探针，将已标利用荧光探针，将已标 记或经特殊修饰的核酸记或经特殊修饰的核酸 探针与已固定的组织、探针与已固定的组织、 细胞或染色体中细胞或染色体中DNADNA、 RNARNA杂交，继而通过分析杂交，继而通过分析 标记探针在被检对象中标记探针在被检对象中 的显示状况而达到对特的显示状况而达到对特 殊目标顺序

34、进行检测、殊目标顺序进行检测、 定位的目的。定位的目的。 137 An example of FISH-treated metaphase chromosomes chromosomes 1, 2, and 4 were labeled yellow with FISH and the other chromosomes were stained red. Translocations between yellow and red chromosomes are detected. The left picture represents a normal cell and the right picture is an example of reciprocal translocation with two bi-color chromosomes (indicated by two arrows). 138 8.单细胞凝胶电泳（单细胞凝胶电泳（single cell gel electrophoresis，SCGE) n在单细胞水平上定量