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文档简介
1、微核试验的研究进展李宏 (重庆工商大学环境与生物工程学院 , 重庆 400067摘要 对微核技术的研究进展进行了综述 , 主要从影响微核产生的因素 (包括自发因素、 化学诱变剂、 抗氧化因子缺乏、 放射线和磁场 、 微核试验技术的发展以及微核试验的应用几个方面进行了阐述。 关键词 微核 ;D N A 损伤 ; 诱变剂 ; 流式细胞仪中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2009 07-02864-03R e se a rch Pro g re s se s on M ic ron uc le u s A s sa y LI H on g (C o llege o
2、f E n v ironm en ta l an d B io log ica l E n g in ee r in g ,C h on gq in g T ech n o log y and B u sin ess U n ive rs ity ,C h on gq in g 400067 A b s tra c t T h e resea rch p ro g re sse s on m icron u cleu s te chn o lo gy w e re re v iew ed .T h e in flu en cin g facto rs o f th e m icron u cl
3、eu s fo rm a tion (in clud in g au togen ic facto rs ,ch em ica l m u tagen s ,th e absen ce o f an ti-o x idan t ,rad ioactive ray s an d m agn e tic fie ld ,th e deve lopm en t o f m icronu c leu s assa y tech n iqu e and th e ap-p lica tion o f m icron u cleu s assay w e re expou n ded . K e y w
4、o rd s M icron u cleu s ;D N A dam age ;M u tagen ic ag en t ;F low cy tom e try作者简 介 李 宏 (1966- , 男 , 重 庆人 , 副 研 究员 , 从 事 遗 传 学 及生 物技 术方 面的研 究。收稿 日期 2008-12-10微 核 (m icronu cleu s , 简 称 M C N , 是 真 核生 物 细 胞 中 的 一 种 异常 结构 , 是 染 色体 畸变 在 间期 细 胞中 的一 种 表现 形式 。 一般认 为 , 微核 是由有丝分裂 后期丧 失着丝 粒的 染色 体片 断 产生的。在
5、细胞有 丝 分 裂时 , 受到 有 害 理化 因 子 的 损 伤 , 染 色 体发 生断 裂 , 在 下一 次分 裂 后期 , 丧 失 着丝 粒的 染 色体 片 断 行动 滞后 , 不 能 进入 子细 胞 的主 核 , 形 成滞 留在 核 外的 微 小染色 质块 , 即 微 核。有 些 研 究者 认 为 , 微 核可 以 是 细 胞 凋 亡的 产物 , 当致畸 因素导 致凋亡 基因激 活 , 内 切酶激 活 , 切 割 DN A, 形成细胞 核碎片 , 最终导致产 生许多微核 1。微核的形成 是细 胞受 遗 传 毒物 作 用 后的 一 种 遗传 学 终 点 , 以 观察 细胞 中 微核 的形
6、成 来检 测 遗传 毒物 , 称 为 微核 试 验。微核试 验是以动植 物为材料 , 利 用细胞 生物 学方 法观 察 其出现的 微核 率 (m icronucleus frequency , M N F 来 表 示 材 料 受 遗传损 伤程度的 一 种检 测 遗 传毒 物 的 方法 。微 核 试验 创 建 于 20世 纪 80年代 , 目前许 多国 家 和国 际 组织 已将 其 规定 为 新药、 食品 添加剂 、 农药 、 化妆 品等毒 理安全 性评价 的必做 试 验。近年来 , 随着 分 子生 物 学 技术 的 迅 速发 展 , 大 大 拓 展 了 微核试 验的检测和 应用范围 , 已发展
7、 成为能 同时 检测 染色 体 断裂、 丢 失、 分 裂 延迟 、 不 分 离、 DN A 损 伤 修 复障 碍、 H PR T 基 因突 变、 凋 亡、 细 胞分裂 不平衡 等多种 遗传终 点 , 因 而近年 来 国际上 有人提出了 新微核试验的 概念 , 从而 使微 核试 验焕 发 出新的 生机。1 影响微 核产生的因 素1.1 自发 因素 在 正 常 情况 下 , 生 物 也 会自 然 出 现 较 低 频 率 的微 核 , 在人 类 中一 般会 随 年龄 的 增大 而增 加 , 往 往女 性 高于男性 。主要是和自 身的免疫 力低 下以 及超 氧化物 、 自 由 基、 易氧化物等 因素较
8、多有关 。微核也是 细胞凋 亡 的 产物 , 当程 序 性 死亡 基 因 激 活 , 随 之 C a 2+依赖性内 切酶激活 , 切割 DN A, 形成细胞 核碎片 , 形态 学 表现 为核 深 染 , 染色 质边 缘 分布 的 帽形 核 , 最后 导 致微 核 形成。一些 研究表 明 ,ca sp a se-3除 了在 细 胞凋 亡途 径 中作 为 效应因 子外 , 也 与微核的形 成有 关 2。此外 , 有 研 究表 明 , 细胞内 P 53的含量对于 苯诱导的微 核形成有影 响 3-4。 1. 2 化学诱 变剂 化学 诱变剂 可分 为染 色体 断裂 剂 和非 整 倍体剂。这 类物质较多
9、, 如苯三 酚 (1,2,4-苯三酚 ,B T 在氧 化 成酮时产 生活性氧 损伤 DN A 和其 他一 些 细胞 大 分子 ,B T 能 使淋巴 细胞微核率上 升 2倍 , 使 H lt-6细 胞微 核 率上 升 8倍 , 且总微 核数在两类细 胞中呈 剂量 相 关性。 B T 不仅 引 起染 色 体数目 和结构的变化 , 而且可 通过产 生活性 氧而 间接 引发 点 突变 5。纺锤 丝毒性药物 如秋水仙碱 、 HO -221等能 直接抑 制 动物细 胞纺锤丝的形 成 , 阻止 细胞分 裂后期 纺锤 丝将 染色 体 拉至细胞 的两端从而 形 成微 核。 A ndo 等应 用抗 肿 瘤药 (H
10、 O -221 抑 制小鼠 细 胞 纺 锤丝 微 管 组 装 , 破 坏 纺 锤 体 , 结 果 诱 导 出多倍 体和亚二倍体 细胞以及较 大的微核 6。R PR -115135是一 种新 的 非 肽模 拟 酶 (法 尼基 转 移 酶 的 抑制剂 , 在不影响 细胞膜完整 性的浓 度水平 诱导 微核 频率 地 显著增加。 RPR -115135使 CRE S T +与 CRE S T -微 核 比例 显 著 增加 ,RPR -115135作为 一 种 非 整倍 体 剂 , 其作 用 依 赖 于 肿 瘤 细胞的 调节基因的突 变互补 , 这种活性与 ras 基因型 无关 7。 1.3 抗氧 化因
11、子缺乏 V B 12、 叶 酸缺 乏可 引 起微 核 8-9。 有 人对 9位 健 康 志 愿 者 进 行 了 叶 酸 限 量 试 验 , 从 基 础 用 量 的 195m g/(L d , 减 到每 天 56m g , 维 持 5周 , 然 后 , 慢 慢补 充 叶 酸。减量后 的双核 淋 巴细 胞 和 全系 淋 巴 细胞 内 的 微核 频 率 均 增高 , 且 有着 丝 点阳 性和 阴 性的 微核 都 增加 ; 当 叶 酸补 充 后 , 两 类细 胞微 核 率明 显下 降 , 着 丝点 阳性 微 核变 化 更为 显安徽农业科学 ,Jou rn a l o f A n h u i A g r
12、i. S ci .2009,37(7 :2864-2866 责任编辑 金琼琼 责任校对 卢瑶著。试验表 明 , 低叶 酸贫血症在 临床 贫血症 状之 前就 出现 了 血液和 口腔粘 膜细 胞 遗 传 物 质 损 伤。当 叶 酸 和 VB 12的 摄 入 量是基 础量的 3.5倍时 , 微核率 明显 降 低。半 胱氨 酸 浓度 过 高也可引 发 微 核 , 当 血 浆 中 半 胱 氨 酸 浓 度 低 于 7.5m m o l/L 时 , 微核率最低 10。谷胱甘肽 、 V C 、 V E 、 硒 以及抗氧化 酶类 (如过 氧化氢 酶、 谷 胱甘肽过氧 化物 酶 等 具 有降 低 微 核产 生 的
13、 能力 , 主要 是 它 们可以清除 体 内 的超 氧 化 物等 物 质 11。 G ir i A 等 研 究 认为 , V c 有预防顺 铂诱导鼠致 畸的作 用 , 联 合使 用 V C 和 顺 铂这 两 类 药物 , 发 现小 鼠 骨髓 细胞 微 核、 染色 体 畸变 等指 标 明显 低 于单独 使用顺 铂。有 趣 的是 , 他们 还 发 现联 合 治 疗 过 程中 , 鼠骨髓 细胞谷胱甘 肽 (G SH 水 平也明显增 高 , 可解 释 V c 保护 细胞免 受顺铂诱导 畸变的机理。1.4放 射线和 磁场 放 射线 可以 引起 DN A 损 伤 , 导 致微 核 出现。暴露 在超低频 磁
14、场 对 自发 和 X -射线 诱发 的 微核 数 无 影响。但 是在 X -射 线 辐射 之 后 暴 露 在 超 低 频 磁 场 , 在 CHO 细胞可加 速 X -射线诱 导 的整 条染 色 体 (或着 丝 粒片 断 的 延 滞 12。此外 , -射 线 也 能 够 引 起 明 显 的 微 核 增 加 13。 将 老 鼠在静磁 场 中 暴 露 , 微 核 频 率 显 著 增 加 , 并 且 与 剂 量 相 关 。 一些研 究者认为 , 微核数增加 可归因 于由静 磁场 引起 的应 急 反应或 静磁场的直 接断裂与纺锤 体干扰效应 14。2微核技 术的发展2.1 细胞 分裂阻滞微 核分析法 1
15、985年 F enech 等建 立的 方 法 , 用胞质 分裂阻 滞剂阻 断胞质 分裂 , 但不影 响细胞 核分裂 , 有丝分 裂细胞呈特 殊形态的双核 细胞 , 未发 生核 分裂 的细 胞 则维持 单核细胞 形 态。检 测 致 突变 因 素 作用 后 的 双核 细 胞 率和双 核细胞微核 率 , 可同时 获得致 突变因 素对 细胞 的遗 传 毒性损害和 对细胞 周期 影响 的 信息 15。 在胞 质阻 断 微核 试 验中 , 会出现核 质桥 (nucleop la s m ic b rid ges , N PB , N PB 是 由 双 着丝粒染色 体和有 着 丝粒 的 环 状染 色 体 在
16、细 胞 分 裂后 期 形 成的 16。2.2 微核 自动化检测 法2. 2. 1流式细 胞 仪 检 测 方 法。流 式 细 胞 仪 (F low cy tom et ry 检测方 法是 20世纪 70年代发展 起来的定量 测定细胞和 亚细 胞成分的 方法。流式细 胞仪是利 用激 光束 为光 源 , 将 待测 样 品 进 行 荧 光染 色 , 然后 在 液 体 载 体 里 以 单个 细 胞 通 过 激 光 束 , 产生荧光信 号并转变为电 信号通 过仪表 显示 来达 到定 量 测定的 目的。流式细 胞仪检 测 M N 有 很多 优点 : 检 测速 度 至少比 人工读片快 40100倍。 减 少
17、了人 为的 主 观 因素 。 新型流 式细 胞 仪具 有 分 选 功 能 , 对 判 定 为 含 M N 的 细胞 , 可以分 类检出并收 集在玻片上或 试管 里 , 在 显微 镜下 检查 验 证 , 以证实其真 实性并计算其 可置信度 17。2. 2.2 计算 机图像分析 系 统检 测。计 算 机图 像分 析 系统 是 将高分 辨力摄像机 和计算机结合 起来 将图 像分 解为若 干点 , 再将每 个点的图像 色差转换为数 字信 号 , 储 存在 计算 机里 进 行各定 量参数的计 算。从 20世纪 80年代中 期开始利用 计算 机图像分析 技术 , 其 检 测 速度 也 至 少 比人 工 计
18、 算 快 10倍 以 上 , 但容易受条 件因素影响 , 还需进一 步完善。3微核的 染色体组成 分析技术3.1 荧光 原位杂交试 验与 DNA 探 针 荧光 原 位杂 交 (F luo- rescen ce in s itu h yb rid iza tion ,F ISH 技术是近年 来开展起来 的分 子生物 学新技术。它 是使用生 物荧 光 素标 记的 各 类 DN A 和 RN A 探针与细胞 或组织在玻 片上进行原 位杂交 , 被观 察的 特 定 DN A 片段 (或序列 在荧光 显微 镜下 固定 在 细胞 核 或染 色 体的原 有部位显 示 荧光 。利 用 荧光 原 位 杂交 试
19、验 可以 检 测 出 是染 色体 断 裂还 是丢 失 , 以 及可 以判 断 是哪 一 条染 色体 、 哪一段所 产生的 微核 18。目 前 已成 功 用于 M N 试 验的 DNA 探针主要有 2类 :第一 类是 含 DN A 重复 序 列的 探 针 , 主要 用 于检测染 色体 着 丝 粒 的 DN A ; 第 二 类 是 含 染 色 体 端 粒 DNA 序列的 探针 , 它主 要显示染色 体臂的存在 。若 2种探针结合 使用 , 则 可 以较 为准 确 地判 断 M N 的 组 成情 况 , 即 是染色 体段片 还是整 条染色 体 , 以 及各自 的数目 。 目前 , 在原位杂交 的基础
20、上又 发展出 了多彩 色荧 光原 位杂 交 技术 , 它使用几种 不同的荧光 素单独 或混合 标记 的探 针进 行 原 位杂 交 , 在荧 光 显微 镜下 显 现不 同的 颜 色 , 因而 可 以同 时 检测间 期或中期 细 胞中 的 几 个特 异 核 酸序 列。 它 可以 广 泛 应 用于 物理 图 谱绘 制、 致突 变 研究、 肿 瘤病 理 和产 前 诊断 等 方面 19。3. 2抗着丝 粒抗体染色 (CR E S T 染色 抗着 丝粒 抗体 (A n ti -k ine toch ore a n t ibod ies 是 美国学者 M o ro i 及其同 事于 1980年 在硬皮 病病
21、人血清中 发现的一种 自动 抗体 , 这些 自动 抗体 可 以通过免 疫荧光技术 检测到。它们 与染 色体 着丝 粒蛋 白 (抗 原 成 分相结 合 , 具 有较 强 的 特异 性。 但并 非 所 有硬 皮 病 病 人的血 清中都含有该 自动抗体 , 含该 抗体的 病人 皮肤 损害 往 往并不严 重和广 泛 , 但却 有显 著 的 CRE ST 征。 所以 , 将 用 该 种病人的 血清对染 色体 着 丝粒 的染 色 直接 称为 CR E S T 染 色 (C RE S T s ta in in g 。 CRE ST 染色用 来 区 分 M N 来源 (染 色 体 断 片还是 整条染色体 ,
22、了解 诱导 M N 的化 合物 性 质 (断 裂剂 还 是整倍 体剂 。4微核试 验的应用微核试验 广泛 应用 于 药 品、 食品 添 加 剂、 农 药 、 化妆 品 、 工 业化 学品 、 环 境 污染 物等 遗 传毒 性的 检 测、 安全 性 评价 和 遗传损 害的监测 , 为接触有害 物质的 人群提 供遗 传损 害检 测 和工作 环 境 监 测 , 为 行 政 管 理 部 门 的 决 策、 立 法 奠 定 理 论 依据。4. 1环境监 测和致突变 物检测 污 染物 对人 体或 生 物产 生 的损害 可以方便快速 地通过 微核检 测出 来 20-22。在 普查 致 畸、 致癌、 致突 变
23、物等 方 面 应用 广 泛 , 如 物理 因 子 (射 线 、 化 学因子 (毒物 、 生 物 因子 (毒 素 , 空 气 中 污 染的 气 体 , 工 业 、 生活污水 , 洗涤剂 , 重金属 , 农药 等致 突变 物的 检测。 目前 全 世界已检出 的有毒 物质 近 500种 23-26。蚕 豆 根尖 微 核技 术 作为水污染 检测方 法 , 早在 1988年 就被 国 家环 保 局批 准 , 由 许多研 究表明 , 蚕 豆根尖微核 技术在 检测流 域或 湖泊 水污 染 方面 , 有非常好的 效果 , 有 关这方面的 研究较多。4. 2化疗和 放疗后的细 胞学损 伤观 察 化疗 后机 体
24、的淋 巴 细胞及 骨髓细胞微核 率会明显上 升 , 这些可 以反 映化 疗后 的 遗传损伤 程 度 27。 E 1ia s -L 等 对 15例 化 疗 或 放 疗 急 淋 儿 童 外周 血淋巴 细胞微 核变化 进行分 析 , 用 长春新 碱、 甲 基 啉 、 柔红霉 素、 强的松 化疗和首次 强化疗 末期使 用了 头部 放疗 的 病人 , 他们的淋巴 细胞微核明 显高于对照 组 ,6例 作了 2年 治 5 68237卷 7期 李宏 微核试验的研究进展疗 期 动 态 观察 , 多 数病 人 治 疗 期 淋 巴 细 胞微 核 频 率 显 著 增 高。因而认 为 , 微核 检测法是评 价抗 白血病
25、 化疗 药物 诱导 机 体细胞 遗传学损 伤 的有 效 方 法。微 核 是 遗传 损 害 的生 物 标 志 物 , 用于 癌症 患 者、 肿瘤 患者 等 放射 剂 量的 估算 及 放射 事 故的事后 遗传损伤检 测。有文献 介绍 , 用细 胞阻 断微 核分 析 法评价 放射治疗 8位病人后 的淋 巴细胞 辐射 线损 伤情 况 , 结 果治疗 后 , 每 500个 双核细胞的 微 核平 均 值明 显高 于 治疗 前 的对照 细胞。4. 3特定人 群的突变损 伤检测 和早 期预 报 在诱 变 因子 和 致癌物下的 特定人 群 的血 液 淋 巴细 胞 和 上皮 细 胞 的微 核 率 会明显上 升。通
26、过 上 皮细 胞 的 微核 数 量 变化 可 快 速安 全 地 早期检 测癌变或 预 报受 损 伤 程度 。大 连 医科 大 学 第二 临 床 学院检验 科王 永 才 教 授 主 持 的 一 项 课 题“ 微 核 测 定 和 DN A 含量分 析对骨 髓异 常 增 生 综 合 征 (M D S 早期 诊 断 的 应 用 研 究 ” , 在患者临 床 无任 何 症 状 , 恶性 细 胞 出现 之 前 即 可 快速 、 准确地 预测 M DS 。骨髓 异 常 增 生 综 合 征 (M D S 又 称 白 血 病 前期 , 其 中约 30%的 M D S 可 演 变 成 白 血 病。淋 巴 细 胞
27、微 核 检测是一种 快速敏 感 的测 定 机 体损 伤 的 早期 生 物 学反 映 指 标 , 也是肿瘤早 期检测的诊断 指标。4. 4利用微 核试验筛选 抗癌物 质 将待 测物 质用 微 核检 测 方 法进 行分 析 , 根 据微 核率 发 生情 况 来判 断物 质 的抗 癌性 。 该 方法 已经 进 行了 一些 研 究 , 有望 应 用于 抗癌 药 物的 筛选 。 此 外 , 有人 将微 核 技术 与荧 光 分光 法 结合 起来 , 研 究 小分 子 对 DNA 的作 用 , 从而 筛选对癌细 胞有作用的 药物分子。 4.5 利用 微核 试验 研 究 外来 物 种 的化 感 效 应 目 前
28、 , 微 核 技 术已 经用 于 研究 外来 生 物 , 如紫 茎 泽兰、 微 甘菊 等 分泌 的 化学物 质对本地 其 他植 物 的 影响 。通 过 蚕豆 根 尖 微核 试 验 表明 , 紫茎泽兰 水提取物能够 明显引 起蚕豆 根尖 细胞 微核 形 成以及 各种染色体 畸变堵塞发生 。5讨论总之 , 微核技术的 应用越来越 广泛 , 重 要性 也很突 出 , 但 也有它 的局限性。 任 何一 种 遗 传毒 理 学 筛检 测 试 系统 都 有 一定的 假阴性率和 假阳性率 , 不能准 确地鉴 别出 遗传 和非 遗 传毒物 。因为一种诱 变试验只能 反映 12种 遗传 毒 性作 用 终点。这样
29、, 在筛 检 化学 物 的 诱变 性 时 , 应 当进 行 一 系 列 的 试验 , 即至少选 择 分 别 能 检 出 5类 遗 传毒 性 作 用 终 点 (DN A 损伤与修 复、 DN A 断裂、 基因突变 、 DN A 重组和染色 体结构 异 常 的 一组试验 , 即采用组 合试验 的方 法 , 而 不是 仅仅 用单 个 试验。参考 文献1S A T O N,M IZU M O T O K,M AK AM U RA M ,e t a l .A p o ss ib le ro le fo r cen t ro som e ov e rdu p lica tioninrad ia tion
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