6外源化学物的致突变作用

1、第七章 外源化学物的致突变作用及其评价重庆医科大学公共卫生学院重庆医科大学公共卫生学院卫生毒理学教研室卫生毒理学教研室 汪汪 洋洋第一节 概 述基本概念1.1.遗传遗传(hereditary)(hereditary)：生物通过不同的繁殖方式保证物种生物通过不同的繁殖方式保证物种延续的过程。延续的过程。意义：保持生物物种特性的稳定意义：保持生物物种特性的稳定遗传的稳定是相对的遗传的稳定是相对的: :遗传物质的自发突变遗传物质的自发突变个体发育过程中环境因素的影响个体发育过程中环境因素的影响2.2.变异变异(variation)(variation)：亲子之间或子代个体之间性状的不同程亲子之间或子

2、代个体之间性状的不同程 度的差异。度的差异。意义：生物物种推陈出新的来源意义：生物物种推陈出新的来源产生原因：产生原因：亲代杂交产生基因重组亲代杂交产生基因重组基因突变基因突变染色体或细胞质的变化染色体或细胞质的变化 最高的个体存活并产生最多后代3.3.突变突变(mutation):(mutation):遗传物质本身的变化及其引起的变异，是遗传物质本身的变化及其引起的变异，是遗传物质的一种可遗传的变异。遗传物质的一种可遗传的变异。4.4.自发突变自发突变(spontaneous mutation):(spontaneous mutation):遗传物质在没有人为遗传物质在没有人为因素干扰时自然

3、产生的突变。因素干扰时自然产生的突变。原因：原因：DNADNA复制错误；复制错误；DNADNA自发的化学变化自发的化学变化特点：发生率低；与物种的进化有关特点：发生率低；与物种的进化有关(a)胞嘧啶脱氨产生尿嘧啶(b)5-甲基胞嘧啶脱氨产生胸腺嘧啶碱基的正常配对胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)胞嘧啶(C)鸟嘌呤(G)正常表型梅花鹿及其白化病母亲5.5.诱发突变诱发突变(induced mutation):(induced mutation):利用辐射、生物因素、化学物利用辐射、生物因素、化学物质等造成的突变。质等造成的突变。培育和选择优良品种培育和选择优良品种引起人类健康危害引起人类健康危害三倍体的

4、柴胡三倍体萱草花6.6.致突变物致突变物/ /诱变剂诱变剂(mutagen):(mutagen):能引起突变的物质。能引起突变的物质。 遗传毒物（遗传毒物（genotoxic agent,genotoxicantgenotoxic agent,genotoxicant） * 直接致突变物（直接致突变物（direct-acting mutagendirect-acting mutagen）：不需要代谢活化、：不需要代谢活化、以化学物原型即可引起突变的物质。以化学物原型即可引起突变的物质。* 间接致突变物（间接致突变物（indirect-acting mutagenindirect-acting

5、mutagen）：本身不具有致：本身不具有致突变活性，必须经过代谢活化后才具有致突变性。突变活性，必须经过代谢活化后才具有致突变性。7.7.致突变作用致突变作用(mutagenesis):(mutagenesis):外来因素，特别是化学物质引起外来因素，特别是化学物质引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力。这种改变可以随着细胞核中的遗传物质发生改变的能力。这种改变可以随着细胞分裂过程而传递。细胞分裂过程而传递。8.8.致突变性（致突变性（mutagenicitymutagenicity）：化学物质或其他环境因子引起：化学物质或其他环境因子引起遗传物质发生突变的性质。遗传物质发生突变的性质。突变是

6、致突变作用的后果。突变是致突变作用的后果。9.9.遗传毒理学遗传毒理学(genetic toxicology):(genetic toxicology):研究化学性和放射性研究化学性和放射性物质的致突变作用以及人类接触致突变物可能引起的健康物质的致突变作用以及人类接触致突变物可能引起的健康效应的一门学科。效应的一门学科。研究内容：研究内容：1.1.致突变作用的机制致突变作用的机制2.2.应用检测系统发现和探究致突变物应用检测系统发现和探究致突变物3.3.提出评价致突变健康危害的新方法提出评价致突变健康危害的新方法第二节第二节 突变的类型突变的类型一.基因突变二.染色体畸变损伤的性质和程度：损伤

7、的性质和程度：基因突变基因突变染色体结构畸变染色体结构畸变染色体数目畸变染色体数目畸变一.基因突变定义：基因中定义：基因中DNADNA序列的变化。因局限在特序列的变化。因局限在特定部位，又称点突变定部位，又称点突变(point mutation)(point mutation)。根据不同的依据分类根据不同的依据分类 （一）根据基因结构改变分类1.1.碱基置换碱基置换(base substitution)(base substitution)指某一碱基配对性能改变或指某一碱基配对性能改变或脱落所致的突变。脱落所致的突变。碱基配对性能改变或脱落碱基配对性能改变或脱落相应相应位点错误配对位点错误配对

8、下次复制正常配对下次复制正常配对原来碱基对被错误碱基对置换。原来碱基对被错误碱基对置换。转换转换(transition):(transition):嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶颠换颠换(transversion):(transversion):嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶2.2.移码突变移码突变(frameshift mutation)(frameshift mutation)指发指发生一或几对生一或几对(3n)(3n)碱基减少碱基减少或增加，以致从受损点开始或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译成不正常误的密码，并转译成不正常的氨基酸。的氨基酸。可产

9、生无功能肽链，故易成为可产生无功能肽链，故易成为致死性突变致死性突变第44位增加一对C:G，其后氨基酸序列完全改变3.3.大片段损伤（大片段损伤（large fragment damagelarge fragment damage）DNADNA序列上较长一段序列的重排，包括大段（序列上较长一段序列的重排，包括大段（1 1到数千个碱到数千个碱基）的缺失、插入、取代、重复和倒位。基）的缺失、插入、取代、重复和倒位。以缺失最常见以缺失最常见（二）根据突变的效应1.1.同义突变同义突变( (same-sense，or synonymous mutation) )由由于生物的遗传密码子存在于生物的遗传密

10、码子存在兼并现象，在某一碱基改兼并现象，在某一碱基改变后，在原来的氨基酸位变后，在原来的氨基酸位置转译成同一种氨基酸。置转译成同一种氨基酸。蛋白质的结构和功能不发蛋白质的结构和功能不发生改变。生改变。第44位碱基CG,转录后密码子ACCACA,二者均指导合成苏氨酸2.2.错义突变错义突变(missense mutation)(missense mutation)由于碱基的置换使密由于碱基的置换使密码子发生改变，在原码子发生改变，在原来的氨基酸位置转译来的氨基酸位置转译成另一种氨基酸。对成另一种氨基酸。对功能的影响取决于替功能的影响取决于替代的氨基酸及其在蛋代的氨基酸及其在蛋白质一级结构中所处白

11、质一级结构中所处的位置。的位置。第44位碱基TA，转录后密码子AUG UUG，甲硫氨酸亮氨酸* 致死突变（致死突变（lethal mutationlethal mutation）：错义突变发生在关键基：错义突变发生在关键基因，影响蛋白质活性，改变细胞或生物体表型，引起细因，影响蛋白质活性，改变细胞或生物体表型，引起细胞死亡。胞死亡。* 渗漏突变（渗漏突变（leaky mutationleaky mutation）：错义突变的产物有部分：错义突变的产物有部分活性，表型介于完全的突变型和野生型之间。活性，表型介于完全的突变型和野生型之间。* 中性突变（中性突变（neutral mutationne

12、utral mutation）：错义突变不影响或基：错义突变不影响或基本不影响蛋白质活性，无明显的表型改变。本不影响蛋白质活性，无明显的表型改变。* 中性突变和同义突变统称中性突变和同义突变统称沉默突变（沉默突变（silent mutationsilent mutation）3.3.无义突变无义突变(nonsense mutation)(nonsense mutation)由于一对或几对碱基对的改由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密变而使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子码子变成一个终止密码子（UAA,UAG,UGA)UAA,UAG,UGA)，转译在相应的位点提前终转译在相应

13、的位点提前终止，产生一条不完全的多肽止，产生一条不完全的多肽链，通常是没有功能的。链，通常是没有功能的。 第58位碱基GC，转录后UCAUGA，丝氨酸终止密码4.4.终止密码突变终止密码突变(termination codon mutation)(termination codon mutation)当当DNADNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延长的异常肽到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延

14、长的异常肽链。也叫延长突变链。也叫延长突变(elongation mutation)(elongation mutation)。 不同类型基因突变产生不同构型和活性的蛋白（三）按照突变的方向1.1.正向突变（正向突变（forward mutationforward mutation） 野生型（野生型（wild typewild type） 突变型突变型(mutant)(mutant)2.2.回复突变（回复突变（backward mutationbackward mutation）突变型（突变型（mutantmutant） 野生型（野生型（wild typewild type） 二、染色体结构畸

15、变结构基础：染色体断裂和错误重接。结构基础：染色体断裂和错误重接。断裂后不重接或重接不在原处即可出现染色体结构异常。断裂后不重接或重接不在原处即可出现染色体结构异常。染色单体型染色单体型(chromatid-type)(chromatid-type)：一条染色单体：一条染色单体 复制前复制前染色体型染色体型(chromosome-type) (chromosome-type) ：两条染色单体：两条染色单体 复制后复制后（一）染色体型畸变1.1.无着丝粒断片（无着丝粒断片（acentric fragmentacentric fragment）和）和 缺失缺失(deletion)(deletion

16、)一条染色体发生一条染色体发生1 1次或多次断裂后而不重接，次或多次断裂后而不重接，就会出现就会出现1 1个或多个无着丝粒断片和一个缺失个或多个无着丝粒断片和一个缺失了部分染色质并带有着丝粒的异常染色体。了部分染色质并带有着丝粒的异常染色体。图图7-1 7-1 断片断片2.2.环状染色体（环状染色体（ring chromosomering chromosome）染色体两臂各发生一次断裂，断端重接形成环状结构。染色体两臂各发生一次断裂，断端重接形成环状结构。3.3. 倒位倒位(inversion)(inversion)染色体发生两次不同部位断裂，中间片段旋转染色体发生两次不同部位断裂，中间片段旋

17、转180180后再重接。后再重接。臂内倒位、臂间倒位臂内倒位、臂间倒位4.4.易位易位(translocation)(translocation)：染色体片段位置的改变：染色体片段位置的改变 相互易位：两个染色体发生断裂后，两个染色体片段分别重相互易位：两个染色体发生断裂后，两个染色体片段分别重接到另一个染色体上。接到另一个染色体上。 罗氏易位（着丝粒融合）：两条染色体长臂融合形成一条染罗氏易位（着丝粒融合）：两条染色体长臂融合形成一条染色体，同时失去短臂。色体，同时失去短臂。5.5.插入插入(insertion)(insertion)和重复（和重复（duplicationduplicatio

18、n）插入：一个染色体染色体片段重接到另一个发生一次断裂的染插入：一个染色体染色体片段重接到另一个发生一次断裂的染色体上。色体上。 重复：一套染色体中一个染色体片段出现不止重复：一套染色体中一个染色体片段出现不止1次。次。（二）染色单体型畸变某一位点的损伤只涉及姐妹染色单体中的一条某一位点的损伤只涉及姐妹染色单体中的一条包括：断裂、缺失、染色单体交换等包括：断裂、缺失、染色单体交换等染色单体交换（染色单体交换（chromatid exchangechromatid exchange）：两条或多条染色单体断）：两条或多条染色单体断裂后异位重接的结果。裂后异位重接的结果。姐妹染色单体交换（姐妹染色单

19、体交换（sister chromatid exchangesister chromatid exchange）: :某个染色体某个染色体在姐妹染色单体之间发生同源片段的互换。在姐妹染色单体之间发生同源片段的互换。稳定和不稳定的结构异常稳定的结构异常：稳定的结构异常：可通过重复的细胞分裂传给子代细胞。可通过重复的细胞分裂传给子代细胞。缺失、倒位、重复、易位。缺失、倒位、重复、易位。不稳定的结构异常：不稳定的结构异常：因重要遗传物质的丧失或有丝分裂机械障碍导致细胞死亡。因重要遗传物质的丧失或有丝分裂机械障碍导致细胞死亡。无着丝粒片段、双中心粒染色体、环状无着丝粒片段、双中心粒染色体、环状染色体、不

20、对称重排等染色体、不对称重排等 。三.染色体数目异常染色体数目改变也称基因组突变（染色体数目改变也称基因组突变（genomic mutationgenomic mutation），指基），指基因组中染色体数目发生的改变。因组中染色体数目发生的改变。以二倍体细胞染色体数目为标准，可表现为：以二倍体细胞染色体数目为标准，可表现为：整倍性畸变（整倍性畸变（euploidy aberrationeuploidy aberration）：染色体组）：染色体组非整倍性畸变（非整倍性畸变（aeuploidy aberrationaeuploidy aberration）：染色体）：染色体1.1.非整倍体非整

21、倍体(aneuploidy)(aneuploidy)细胞染色细胞染色体数目比正常细胞染色体数目比正常细胞染色体数目增加或减少一条体数目增加或减少一条或多条。或多条。缺体缺体:2n-2 :2n-2 单体单体:2n-1:2n-1三体三体:2n+1 :2n+1 四体四体:2n+2:2n+213三体综合征18三体综合征 常染色体的单体型严重破坏基因平衡，因而是致死性的；常染色体的单体型严重破坏基因平衡，因而是致死性的；但儿童或成人可见但儿童或成人可见X X染色体单体的女性。染色体单体的女性。 除除2121、1313、1818和和2222号染色体三体型外，其他三体型多导致号染色体三体型外，其他三体型多导

22、致流产。性染色体的三体型更常见。流产。性染色体的三体型更常见。 2.2.多倍体多倍体多倍体多倍体(polyploid)(polyploid)细胞染色体数目比正常细胞染色体数目细胞染色体数目比正常细胞染色体数目成倍增加。成倍增加。异倍体细胞在肿瘤组织十分常见。异倍体细胞在肿瘤组织十分常见。急性苯中毒对青蛙骨髓细胞染色体的影响急性苯中毒对青蛙骨髓细胞染色体的影响 正常核型非整倍性增加非整倍性减少 无着丝粒断片收缩变短的染色体细长化的染色体第三节第三节 外源化学物致突变作用的机制外源化学物致突变作用的机制基因突变和染色体结构畸变的靶分子：基因突变和染色体结构畸变的靶分子：DNADNA染色体数目畸变的

23、靶分子：与细胞分裂过程有关的成分染色体数目畸变的靶分子：与细胞分裂过程有关的成分 以以DNADNA为靶的直接致突变为靶的直接致突变 不以不以DNADNA为靶的间接致突变为靶的间接致突变一、以DNA为靶的直接诱变碱基损伤碱基损伤DNADNA链受损链受损（一）碱基损伤1.1.碱基错配碱基错配烷化作用（烷化作用（alkylationalkylation）: :烷化剂提供烷基与烷化剂提供烷基与DNADNA共价结合的过程。共价结合的过程。烷化的碱基同样表现出配对特性，是否错配取决于烷化的位置。烷化的碱基同样表现出配对特性，是否错配取决于烷化的位置。最常发生烷化作用的位点是鸟嘌呤的最常发生烷化作用的位点是

24、鸟嘌呤的N-7N-7位位，其次是，其次是O-6O-6位，位，腺嘌呤的腺嘌呤的N-1N-1、N-3N-3、N-7N-7位也易烷化。位也易烷化。脱落：形成脱落：形成APAP位点位点( (apurinicor Apyrimidine siteapurinicor Apyrimidine site) )，不正确的碱基插入可引起突变。不正确的碱基插入可引起突变。烷化剂烷化剂(alkylating agent)(alkylating agent)是能将小的烷基转移到其他分子上是能将小的烷基转移到其他分子上的化学物质，对的化学物质，对DNADNA和蛋白质都有强烈的烷化作用。和蛋白质都有强烈的烷化作用。常见的

25、烷化剂有烷基磺酸酯、常见的烷化剂有烷基磺酸酯、N-N-亚硝基化合亚硝基化合物、氮芥等。临床上常用的很多抗肿瘤药也物、氮芥等。临床上常用的很多抗肿瘤药也是烷化剂，如环磷酰胺、氮芥、是烷化剂，如环磷酰胺、氮芥、BusulfanBusulfan。19431943年约克斯用脲烷对风铃草、百合和月见年约克斯用脲烷对风铃草、百合和月见草进行了诱变育种。草进行了诱变育种。2.2.平面大分子嵌入平面大分子嵌入DNADNA链：结构扁平的嵌入剂（链：结构扁平的嵌入剂（intercalating intercalating agentagent）分子插入到两个相邻的碱基对之间，造成移码突变。）分子插入到两个相邻的碱

26、基对之间，造成移码突变。 一般以静电吸附的形式嵌入一般以静电吸附的形式嵌入DNA单链的碱基之间双螺旋相邻多核苷酸链之间嵌入剂、插入突变剂嵌入剂、插入突变剂(intercalating mutagens)(intercalating mutagens)：通过：通过插入到插入到DNADNA双螺旋双链或单链的两个相邻碱基之间，起双螺旋双链或单链的两个相邻碱基之间，起到插入诱变的作用。他们的化学结构都是扁平的分子，到插入诱变的作用。他们的化学结构都是扁平的分子，易于在易于在DNADNA复制时插入。复制时插入。3.3.碱基类似物取代：结构与碱基相似的化学物质在碱基类似物取代：结构与碱基相似的化学物质在D

27、NADNA复制时能与正常的碱基竞争取代其位置，造成复制时能与正常的碱基竞争取代其位置，造成错误配成，形成碱基置换。错误配成，形成碱基置换。 例1.5-溴脱氧尿嘧啶取代胸腺嘧啶5-BU的酮式与腺嘌呤（A）配对5-BU烯醇式与鸟嘌呤（G）配对例2.2-氨基嘌呤取代鸟嘌呤2-AP与胸腺嘧啶（T）配对2-AP异构体与胞嘧啶（C）配对4. 4. 碱基的化学结构改变或破坏，发生置换或断裂碱基的化学结构改变或破坏，发生置换或断裂鸟嘌呤脱氨基黄嘌呤，与胞嘧啶配对胞嘧啶脱氨基尿嘧啶，与腺嘌呤配对腺嘌呤脱氨基次黄嘌呤，与胞嘧啶配对胞嘧啶脱氨基羟氨基胞嘧啶，与腺嘌呤配对（二）DNA链受损1.1.嘧啶二聚体形成：相邻

28、两个嘧啶二聚体形成：相邻两个T T、或两个、或两个C C、或、或C C与与T T之间都可以之间都可以环丁基环环丁基环(cyclobutanering)(cyclobutanering)连成二聚体。连成二聚体。DNADNA双链间二聚体的形成，阻碍双链的分开和下一步复制，双链间二聚体的形成，阻碍双链的分开和下一步复制，引起细胞死亡。引起细胞死亡。DNADNA同一条链上二聚体形成，阻碍正常配对和腺嘌呤加入，同一条链上二聚体形成，阻碍正常配对和腺嘌呤加入，复制停止或错误进行，新合成的链上碱基顺序改变。复制停止或错误进行，新合成的链上碱基顺序改变。2.DNA2.DNA加合物形成加合物形成(DNA add

29、ucts)(DNA adducts) 香烟中的亚硝胺类(nitrosamines)化学物和DNA形成加合物烷化剂(a)和顺铂(b)与DNA形成加合物不同化学物质与不同化学物质与DNADNA共价结合时所攻击的碱基和专一性不同共价结合时所攻击的碱基和专一性不同不同的化学物质形成不同的化学物质形成DNADNA加合物以后引起的突变不同，如加合物以后引起的突变不同，如碱基置换和移码突变。碱基置换和移码突变。此外，此外，DNADNA加合物还可活化癌基因，影响调节基因和抑癌加合物还可活化癌基因，影响调节基因和抑癌基因的表达。基因的表达。3.DNA3.DNA、蛋白质交联、蛋白质交联(cross links)(

30、cross links)形成形成DNADNA链交联链交联：同一条：同一条DNADNA链内链内( (链内交联链内交联) )或两条或两条DNADNA链之间链之间( (链链间交联间交联) )的碱基间以共价键结合的碱基间以共价键结合DNA-DNA-蛋白质交联蛋白质交联：DNADNA与蛋白质（组蛋白、染色质中的非组与蛋白质（组蛋白、染色质中的非组蛋白）以共价键连接蛋白）以共价键连接双功能基烷化剂双功能基烷化剂: :化学武器如氮芥、硫芥等化学武器如氮芥、硫芥等一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等某些致癌物如二乙基亚硝胺等某些致癌物如二乙基亚硝胺等其两

31、个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成DNADNA链链内、内、DNADNA链间，以及链间，以及DNADNA与蛋白质间的交联。与蛋白质间的交联。氮芥引起DNA分子双链在鸟嘌呤上的交联Structure of a Pt Crosslink In duplex DNA交联的存在使正常半保留复制过程发生障碍（即交联的存在使正常半保留复制过程发生障碍（即DNADNA失去失去模板功能）或使复制后模板功能）或使复制后DNADNA分子结构与生化功能发生改变分子结构与生化功能发生改变结果结果导致细胞有丝分裂抑制和细胞分裂增殖阻抑，严重导致细胞有丝分裂抑制和细胞分裂增

32、殖阻抑，严重者导致细胞死亡。者导致细胞死亡。 二.不以DNA为靶的间接诱变（一）纺锤体抑制（一）纺锤体抑制非整倍体与多倍体产生的机制：非整倍体与多倍体产生的机制：染色体分离异常染色体分离异常( (纺锤体、微管蛋白、着丝粒、极体、中心纺锤体、微管蛋白、着丝粒、极体、中心粒等粒等) ) 纺锤体抑制的分子机制：纺锤体抑制的分子机制：（1 1）与微管蛋白二聚体结合，抑制细胞分裂）与微管蛋白二聚体结合，抑制细胞分裂: :秋水仙碱秋水仙碱（2 2）与微管蛋白上的巯基结合，部分抑制：苯基汞、甲基汞）与微管蛋白上的巯基结合，部分抑制：苯基汞、甲基汞（3 3）破坏已组装的微管：秋水仙碱、毛地黄皂甙、灰黄霉素）破

33、坏已组装的微管：秋水仙碱、毛地黄皂甙、灰黄霉素 (4) (4)中心粒移动受阻中心粒移动受阻 (5) (5)其他作用其他作用微管和微丝正常的中期细胞Purbalanol处理后的中期细胞（二）作用于（二）作用于DNADNA合成和修复有关的酶系统合成和修复有关的酶系统1.DNA1.DNA高保真复制需要多种酶类参与高保真复制需要多种酶类参与DNADNA合成有关的酶类：氨基酸类似物合成有关的酶类：氨基酸类似物组蛋白和非组蛋白组蛋白和非组蛋白2.DNA2.DNA修复过程需要多种酶类参与修复过程需要多种酶类参与DNADNA是生物体内唯一具有自我修复功能的大分子是生物体内唯一具有自我修复功能的大分子铍、锰（也

34、可直接作用于铍、锰（也可直接作用于DNADNA）第四节第四节 DNADNA损伤的修复损伤的修复直接修复（光复活、直接修复（光复活、“适应性适应性”反应）反应） 切除修复（核苷酸切除修复、碱基切除修复）切除修复（核苷酸切除修复、碱基切除修复） 错配修复错配修复双链断裂修复双链断裂修复交联修复交联修复一.直接修复（一）光复活（一）光复活(photoreactivation)(photoreactivation)：针对紫外线损伤产生：针对紫外线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体的修复机制。的胸腺嘧啶二聚体的修复机制。 通过光裂合酶断开嘧啶二聚体，再将相邻的嘧啶接回原结构（二）（二）“适应性适应性“反应：鸟嘌呤

35、反应：鸟嘌呤O O6 6位被烷化后，机体可将位被烷化后，机体可将O O6 6位甲基转移给位甲基转移给O O6 6- -甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA-DNA甲基化转移酶，恢复鸟嘌呤正常配对特性。甲基化转移酶，恢复鸟嘌呤正常配对特性。转移后的甲基与胱氨酸结合除了甲基化损伤，较长的烷化基团引起的损伤也能修复二.切除修复较大范围损伤的修复机制较大范围损伤的修复机制多步骤修复过程多步骤修复过程碱基切除修、核苷酸切除修复碱基切除修、核苷酸切除修复1.1. 碱基切除修复碱基切除修复(base excision)(base excision)DNADNA糖基化酶识别异常碱基糖基化酶识别异常碱基切断碱基与脱氧核

36、糖连接的切断碱基与脱氧核糖连接的键，形成键，形成APAP位点位点APAP内切酶切断内切酶切断DNADNA链链外切酶切去毗邻片段外切酶切去毗邻片段聚合酶合成新的聚合酶合成新的DNADNA片段片段连接酶封闭连接酶封闭 碱基氧化损伤的主要防御系统碱基氧化损伤的主要防御系统2.2.核苷酸切除修复核苷酸切除修复(nucleotide excision)(nucleotide excision)内切酶打开受损双链内切酶打开受损双链外切酶除去受损片段外切酶除去受损片段聚合酶合成新片段填补空隙聚合酶合成新片段填补空隙连接酶封闭，恢复原有序列。连接酶封闭，恢复原有序列。最常见修复形式，几乎修复所最常见修复形式，

37、几乎修复所有种类的有种类的DNADNA损伤损伤 在基因转录中有重要意义在基因转录中有重要意义三.错配修复错配修复错配修复(mismatch repair)(mismatch repair)系系统广泛存在于生物体中统广泛存在于生物体中MutHMutH在错配碱基附近打开缺口在错配碱基附近打开缺口MutUMutU去除含有错误碱基的片段去除含有错误碱基的片段聚合酶合成新片段聚合酶合成新片段连接酶封闭连接酶封闭如果错配修复基因存在缺陷就如果错配修复基因存在缺陷就可造成癌症可造成癌症( (遗传性非多发性遗传性非多发性息肉结肠癌息肉结肠癌) )。 四.双链断裂修复DNADNA受到严重损伤受到严重损伤, ,细

38、胞处于危急状态时所诱导的一种细胞处于危急状态时所诱导的一种DNADNA修复修复方式，使细胞阻滞于细胞周期的某一期或诱发细胞凋亡。方式，使细胞阻滞于细胞周期的某一期或诱发细胞凋亡。 同源重组：以同源染色体为模板通过同源重组的方式修复同源重组：以同源染色体为模板通过同源重组的方式修复 非同源末端连接：强行将非同源末端连接：强行将2 2个个DNADNA断端彼此连接断端彼此连接（一）同源重组修复（一）同源重组修复A.A.同源非姐妹染色体配对同源非姐妹染色体配对B.B.相同方向相同方向DNADNA单链在内切酶作用下在单链在内切酶作用下在相同位点打开相同位点打开C,D.C,D.切开的单链进行交换重接形成交

39、联切开的单链进行交换重接形成交联桥桥E.E.两个亲本两个亲本DNADNA分子间形成一段异源双分子间形成一段异源双链链DNA-DNA-holiday structureholiday structureF-H.F-H.绕交联桥旋转形成绕交联桥旋转形成holiday holiday structurestructure异构体异构体I-J.I-J.切断切断DNADNA单链解除交联桥恢复线性单链解除交联桥恢复线性K.DNAK.DNA修补合成修补合成特点：重新获得丢失的遗传信息特点：重新获得丢失的遗传信息（二）非同源性末端连接（二）非同源性末端连接（non-homologous end joiningn

40、on-homologous end joining）高等真核细胞中双链断裂修复的主导机制高等真核细胞中双链断裂修复的主导机制A.A.两个两个DNADNA断端相邻区域断端相邻区域“基因沉默基因沉默”处理处理B.DNAB.DNA末端识别和结合蛋白保护末端不被降解末端识别和结合蛋白保护末端不被降解C.C.对对DNADNA断端加工处理，切除损伤核苷酸，形成粘性末端断端加工处理，切除损伤核苷酸，形成粘性末端D.DNAD.DNA连接酶将断端重接连接酶将断端重接特点：完全不需要模板特点：完全不需要模板（与同源重组修复的最大差异）（与同源重组修复的最大差异） 不是忠实的损伤修复不是忠实的损伤修复（错误连接、移

41、位、缺失）（错误连接、移位、缺失）五.交联修复 无误交联修复无误交联修复 有误交联修复有误交联修复 修复与突变的关系化学物质致突变作用的模式化学物质致突变作用的模式： 正确修复，不产生突变正确修复，不产生突变损伤损伤修复修复 不修复或错误修复，产生突变不修复或错误修复，产生突变第五节 突变的后果( (一一) )生殖细胞突变生殖细胞突变1.1.致死性突变（显性和隐性）致死性突变（显性和隐性）1.11.1显性致死：显性致死：精子不能受精精子不能受精合子着床前死亡合子着床前死亡着床后胚胎早期死亡着床后胚胎早期死亡1.21.2隐性致死：隐性致死：纯合子或半合子死亡纯合子或半合子死亡杂合子不出现死亡杂合

42、子不出现死亡 2.2.非致死性突变非致死性突变2.1 2.1 显性遗传显性遗传下一代遗传病发生率增加下一代遗传病发生率增加新病种出现新病种出现2.2 2.2 隐性遗传隐性遗传纯合子发病，杂合子为表型正常的携带者纯合子发病，杂合子为表型正常的携带者增加下一代基因库的遗传负荷增加下一代基因库的遗传负荷 基因库基因库(gene pool)(gene pool)指某一物种在特定时期中能将遗传指某一物种在特定时期中能将遗传信息传给下一代的、处于生育年龄的群体中所含有的基信息传给下一代的、处于生育年龄的群体中所含有的基因总和。因总和。 遗传负荷遗传负荷(genetic load)(genetic load

43、)指某一物种的群体中每一个个指某一物种的群体中每一个个体所携带的、可遗传给下一代的有害基因的平均水平。体所携带的、可遗传给下一代的有害基因的平均水平。 热休克蛋白转录因子热休克蛋白转录因子-4(HSF4)-4(HSF4)的基因突变的基因突变 儿童遗传性白内障儿童遗传性白内障 （中科院上海生物工程研究所哥伦比亚大学）（中科院上海生物工程研究所哥伦比亚大学） 遗传性乳光牙本质与遗传性乳光牙本质与DSPPDSPP突变有关突变有关( (二二) )体细胞突变体细胞突变1.1.流产：外来化学物质通过胎盘作用于胚胎流产：外来化学物质通过胎盘作用于胚胎体细胞可引起流产体细胞可引起流产2.2.畸胎：外来化学物质

44、在器官发育期作用于畸胎：外来化学物质在器官发育期作用于胚胎体细胞可引起畸形胚胎体细胞可引起畸形3.3.疾病疾病（1 1）心血管疾病）心血管疾病日本理化研究所和大阪大学日本理化研究所和大阪大学与心肌梗塞发病相关的基因与心肌梗塞发病相关的基因- -“PSMA6PSMA6”PSMA6PSMA6指导合成一种与血管炎症相关的蛋白质，这一基因指导合成一种与血管炎症相关的蛋白质，这一基因上的一个特定碱基对的变异可使其合成的蛋白质增多，使上的一个特定碱基对的变异可使其合成的蛋白质增多，使血管内部更容易发生炎症。血管内部更容易发生炎症。（2 2）帕金森症）帕金森症美、英等国科学家对帕金森氏症家族和独立患者的美、

45、英等国科学家对帕金森氏症家族和独立患者的LRRK2LRRK2基因进行了筛查，结果都发现其突变与该病密切相关。基因进行了筛查，结果都发现其突变与该病密切相关。韩国研究人员发现韩国研究人员发现ParkinParkin基因和基因和PINK1PINK1基因的突变以及随基因的突变以及随之出现的线粒体功能障碍与帕金森氏症有直接联系。之出现的线粒体功能障碍与帕金森氏症有直接联系。（3 3）运动神经元疾病）运动神经元疾病青少年时期发病的运动神经元疾病与青少年时期发病的运动神经元疾病与senataxinsenataxin突变有关突变有关（4 4）早衰症）早衰症儿童早衰症与儿童早衰症与DNADNA损伤修复基因的突

46、变有关（香港大学）损伤修复基因的突变有关（香港大学）4.4.衰老衰老加州斯克里普斯研究院的勒纳医生加州斯克里普斯研究院的勒纳医生ScienceScience杂志上撰文指杂志上撰文指出，他与研究院的同僚将六千个人类基因样本进行分析后，发出，他与研究院的同僚将六千个人类基因样本进行分析后，发现当中最少有六十一个样本，在九岁至九十岁期间出现重大改现当中最少有六十一个样本，在九岁至九十岁期间出现重大改变，包括基因和染色体转移均有发生错误，他认为这些改变是变，包括基因和染色体转移均有发生错误，他认为这些改变是导致人类头发变白、皮肤起皱、肌肉衰退和骨骼变脆的关键。导致人类头发变白、皮肤起皱、肌肉衰退和骨骼

47、变脆的关键。5.5.致癌：体细胞突变可影响癌基因致癌：体细胞突变可影响癌基因(oncogene)(oncogene)、抑癌、抑癌基因基因(tumor suppressor gene)(tumor suppressor gene)、细胞周期调节基因、细胞周期调节基因(cell cycle regulator genes)(cell cycle regulator genes)、细胞凋亡基因、细胞凋亡基因(cell (cell apoptosis genes)apoptosis genes)及维持细胞基因组稳定性的基因及维持细胞基因组稳定性的基因( (包包括括DNADNA修复、修复、DNADNA复

48、制及染色体分离基因复制及染色体分离基因) )等，从而引等，从而引起癌变。起癌变。 66% 66%恶性黑色素瘤和恶性黑色素瘤和15%15%的结肠癌中的结肠癌中BRAFBRAF基因存在体细胞基因存在体细胞错义突变。错义突变。 法国居里研究所发现了急性髓细胞样白血病癌细胞形成法国居里研究所发现了急性髓细胞样白血病癌细胞形成的分子机理，的分子机理，KitKit受体的突变是细胞无限增殖的原因。受体的突变是细胞无限增殖的原因。 9090的的BurkittBurkitts s淋巴瘤发现淋巴瘤发现8 8号染色体长臂号染色体长臂c-mycc-myc基因位基因位点与点与1414号染色体发生易位。号染色体发生易位。

49、第六节第六节 化学物质致突变性评价方法化学物质致突变性评价方法一一. .遗传学终点和成套试验遗传学终点和成套试验二二. .常用的致突变试验常用的致突变试验三三. .致突变试验中的一些问题致突变试验中的一些问题一、遗传学终点和成套实验1.1.遗传学终点遗传学终点(genetic endpoints):(genetic endpoints):试验观察到的试验观察到的现象所反映的遗传学事件。现象所反映的遗传学事件。国际环境致突变物致癌物防护委员会国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC)(ICPEMC)将将遗传学终点分为遗传学终点分为5 5类：类：DNADNA完整性改变完整性改变 DNADNA

50、重排或交换重排或交换 DNADNA碱基序列改变碱基序列改变染色体完整性改变染色体完整性改变 染色体分离改变染色体分离改变目前的致突变实验反映的遗传学终点：目前的致突变实验反映的遗传学终点：基因突变基因突变 染色体畸变染色体畸变 染色体组畸变染色体组畸变 DNADNA原始损伤原始损伤 2.2.成套的观察项目成套的观察项目一种致突变试验不能涵盖所有的遗传学终点一种致突变试验不能涵盖所有的遗传学终点，所以，所以在实际工作中需要选用一组配套试验进行化学物质在实际工作中需要选用一组配套试验进行化学物质致突变作用的检测。致突变作用的检测。原则：原则：包括各种类型的遗传学终点包括各种类型的遗传学终点包括多种

51、进化程度不同的物种包括多种进化程度不同的物种体内试验与体外试验结合体内试验与体外试验结合包括体细胞和生殖细胞包括体细胞和生殖细胞 主要致突变试验所反映的遗传学终点试验名称试验名称DNADNA完整性完整性改变改变DNADNA重排重排或交换或交换DNADNA碱基序碱基序列改变列改变染色体完整染色体完整性改变性改变染色体分离染色体分离改变改变微核试验微核试验 1 1 2 2SCESCE 2 2 1 1细菌回复突细菌回复突变实验变实验 1 1细菌细菌DNADNA修修复试验复试验 1 1 目前我国针对食品、药品、农药、工业毒物都制定了目前我国针对食品、药品、农药、工业毒物都制定了相应的遗传毒理学评价程序

52、。相应的遗传毒理学评价程序。 受试化合物在任何一个试验中出现可重复的阳性结果，受试化合物在任何一个试验中出现可重复的阳性结果，即可认为是遗传毒物。即可认为是遗传毒物。 二二. .常用的致突变试验常用的致突变试验（一）（一） 细菌回复突变实验：细菌回复突变实验：用营养缺陷型的突变体测试菌株，观察受试物能否纠正或用营养缺陷型的突变体测试菌株，观察受试物能否纠正或补偿突变体所携带的突变，以判断其致突变性。补偿突变体所携带的突变，以判断其致突变性。常用菌株：常用菌株：鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌( (salmonella typhimuriumsalmonella typhimurium) )大肠杆菌

53、大肠杆菌(E. Coli) (E. Coli) AmesAmes试验原理试验原理： 人工诱变的鼠伤寒沙门氏菌突变株的组氨酸操纵子上有人工诱变的鼠伤寒沙门氏菌突变株的组氨酸操纵子上有一个突变，使突变菌株必须依赖外源性组氨酸才能生长一个突变，使突变菌株必须依赖外源性组氨酸才能生长( (在不含组氨酸的基础培养基中不能生长在不含组氨酸的基础培养基中不能生长) )。 而突变物可使突变株携带的突变基因回复突变成为野生而突变物可使突变株携带的突变基因回复突变成为野生型，即使在缺乏组氨酸的培养基中也能生长。型，即使在缺乏组氨酸的培养基中也能生长。1.制备大鼠肝匀浆，分离肝药酶2.鼠伤寒沙门氏菌(组合菌株)接种

54、在不含组氨酸的培养皿中3.加入肝药酶和受试物后继续培养4.观察培养皿中菌落数菌株的组合：检测碱基置换和移码突变。不同菌株检出能力不同。不同菌株突变部位、突变方式、附加突变不同不同菌株突变部位、突变方式、附加突变不同不同菌株对不同化学致突变物的检出能力不同不同菌株对不同化学致突变物的检出能力不同应选用一组菌株进行测定应选用一组菌株进行测定中国常采用：中国常采用：TA97TA97、TA98TA98、TA100TA100和和TA102TA102（二）（二） 微核试验微核试验(micronucleus test, MNT)(micronucleus test, MNT)微核微核(micronucleu

55、s)(micronucleus)是染色体或染色体单体断裂后形成的无是染色体或染色体单体断裂后形成的无着丝粒片段，或纺锤体受损后丢失的整条染色体，在细胞分着丝粒片段，或纺锤体受损后丢失的整条染色体，在细胞分裂后期遗留在细胞质中，在子代细胞中形成的一个或几个圆裂后期遗留在细胞质中，在子代细胞中形成的一个或几个圆形或椭圆形的次核。形或椭圆形的次核。染色与主核一致，大小为其染色与主核一致，大小为其1/201/31/201/3。微核发生率（微核发生率（）主要检出染色体断裂剂和非整倍体诱变剂。主要检出染色体断裂剂和非整倍体诱变剂。目前常用的方法：体外微核外周血微核双核微核（cytoB）免疫荧光染色Giem

56、sa染色荧光染色（三） 染色体畸变分析染色体畸变分析(chromosome aberration assay)(chromosome aberration assay)或称细胞或称细胞遗传学试验遗传学试验(cytogenetic assay)(cytogenetic assay)：将细胞停留在中期相，用显：将细胞停留在中期相，用显微镜观察染色体结构异常和分离异常。微镜观察染色体结构异常和分离异常。体外试验：传代细胞、原代细胞体内试验：骨髓细胞、睾丸细胞 （四）姐妹染色单体交换（四）姐妹染色单体交换(sister-chromatid exchange):(sister-chromatid exc

57、hange):染色体染色体的两个姐妹染色单体同源片段发生交换，其频率与的两个姐妹染色单体同源片段发生交换，其频率与DNADNA断裂和修断裂和修复有关。是反应复有关。是反应DNADNA损伤的灵敏指标。损伤的灵敏指标。试验原理：将试验原理：将5-5-溴尿嘧啶核苷（溴尿嘧啶核苷（5-BrdU5-BrdU）加入合）加入合成成DNADNA的原料中，经过的原料中，经过2 2个分裂周期以后，两条染个分裂周期以后，两条染色单体中的一条色单体中的一条DNADNA双链中的胸腺嘧啶核苷均被双链中的胸腺嘧啶核苷均被5-5-BrdUBrdU取代，另一条单体的取代，另一条单体的DNADNA双链中只有一条被取双链中只有一条

58、被取代。染色后光镜下两条染色单体着色深浅不一。代。染色后光镜下两条染色单体着色深浅不一。根据交换的染色单体，可判断受试物对根据交换的染色单体，可判断受试物对DNADNA是否是否有损伤作用。有损伤作用。（五）哺乳动物细胞基因突变实验（五）哺乳动物细胞基因突变实验（mammalian cell gene mammalian cell gene mutation assaymutation assay）正向突变实验，从野生型正向突变实验，从野生型突变型，引起酶和功能蛋白的改变突变型，引起酶和功能蛋白的改变常用细胞：常用细胞：L5178YL5178Y，CHOCHO，V79V79检测基因：检测基因：tk

59、(tk(胸苷激酶胸苷激酶) )， hgprt hgprt（次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶）（次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶）集落形成率（集落形成率（）原理：原理：tktk和和hgprthgprt基因产物可以催化相应的核苷磷酸化反应，生基因产物可以催化相应的核苷磷酸化反应，生成相应的核苷酸。核苷类似物（成相应的核苷酸。核苷类似物（5-BrDU5-BrDU、6-sG6-sG）可作为其底物，）可作为其底物，而其磷酸化产物掺入而其磷酸化产物掺入DNADNA可引起细胞死亡。可引起细胞死亡。观察选择培养基中细胞集落形成观察选择培养基中细胞集落形成. .若增加：基因突变，细胞对核若增加：基因突变，细胞对核苷

60、类似物产生抗性，致突变性苷类似物产生抗性，致突变性TkTk位点：基因突变、基因缺失、易位、基因重组等，比其他位点：基因突变、基因缺失、易位、基因重组等，比其他致突变试验检测更为广泛的致突变物。常染色体。致突变试验检测更为广泛的致突变物。常染色体。HgprtHgprt位点：大的缺失和染色体数目改变不能形成突变体集落。位点：大的缺失和染色体数目改变不能形成突变体集落。X X染色体，功能和结构为半合子状态。染色体，功能和结构为半合子状态。（六）显性致死试验（六）显性致死试验(dominant lethal assay)(dominant lethal assay)哺乳动物哺乳动物生殖细胞染色体发生结