外源化学物致突变用汇总课件

第七章外源化学物致突变用1第七章1第一节概述2第一节概述2变异（variation）一、基本概念在亲子之间或子代个体之间出现不同程度的差异，称为变异（variation）亲代个体杂交，基因重组；基因突变，新基因产生；染色体组成或细胞质发生变化3变异（variation）一、基本概念在亲子之间突变（mutation）遗传结构本身的变化及其引起的变异自发突变(spontaneousmutation)诱发突变(inducedmutation)4突变（mutation）遗传结构本身的变化及其引起的变异自致突变作用（mutagenesis）外来因素引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，且此种改变可随同细胞分裂过程而传递能够引起突变的物质致突变物（mutagen）5致突变作用（mutagenesis）外来因素引DNA由脱氧核糖、磷酸及碱基组成，基本成分为四种核苷酸，形成双螺旋结构二、遗传学基础1．DNA与基因6DNA由脱氧核糖、磷酸及碱基组成，基本成分为四基因（gene）：DNA分子中最小的完整功能单位，是生物遗传信息的携带者基因组（genome）：细胞或生物体的一套完整单体的遗传物质GeneralorganizationoftheDNAsequence.

OnlytheexonsencodeafunctionalpeptideorRNA.

Thecodingregionaccountsforabout3%ofthetotalDNAinahumancell.7基因（gene）：DNA分子中最小的完整功能单位，是生物遗在间期细胞的细胞核中，通过光镜可见一种能被碱性染料着色的物质，即染色质（chromatin）。它由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量的RNA组成，形似串珠状的复合体2.染色质与染色体8在间期细胞的细胞核中，通过光镜可见一种能被碱性3．体细胞和生殖细胞

体细胞（somaticcell）多是二倍体（diploid）细胞，含有两组完全相同的染色体，其遗传损伤不会遗传给下一代

生殖细胞（germcell）往往是单倍体，其染色体改变可传给下一代93．体细胞和生殖细胞体细胞（somaticcell）多是细胞一次分裂结束，并开始生长，到下一次分裂终了所经历的过程5．细胞周期G0：DNA合成前期；G1：DNA合成期；S：完成DNA复制；G2：为有丝分裂做准备；M：有丝分裂期10细胞一次分裂结束，并开始生长，到下一次分裂终了一个细胞生成两个子细胞，每个子细胞各具有与亲代细胞完全相同的染色体有丝分裂（mitosis）核的变化染色体和纺锤体的变化细胞器的变化染色体平均分配11一个细胞生成两个子细胞，每个子细胞各具有与亲代通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂方式。细胞核分裂两次，而染色体只复制一次，经过分裂后染色体数目减少一半，变成单倍体（haploid）减数分裂（meiosis）12通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂第二节化学毒物致突变的类型13第二节13基因中DNA序列的变化。因基因突变限制在一特定的部位，故称为点突变(pointmutation)一、基因突变碱基置换移码突变基因突变14基因中DNA序列的变化。因基因突变限制在一特定由错误配对（mispairing）导致原来的碱基对被错误碱基对所置换，称碱基置换1．碱基置换（basesubstitution）

转换（transition）：嘌呤置换另一嘌呤，或者是嘧啶置换另一嘧啶

颠换（transversion）：嘧啶换成嘌呤，或者嘌呤换成嘧啶15由错误配对（mispairing）导致原来的碱16161717发生一对或几对(3对除外)的碱基减少或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译成为不正常的氨基酸2．移码突变(frameshiftmutation)18发生一对或几对(3对除外)的碱基减少或增加，以二、染色体畸变染色体的结构改变，可用光学显微镜检查适当细胞有丝分裂中期的染色体来发现染色体畸变（chromosomeaberration）染色单体型畸变(chromatid-typeaberration)染色体型畸变（chromosome-typeaberration）19二、染色体畸变染色体的结构改变，可用光学显微镜检缺失(deletion)；重复(duplication)；倒位(inversion)；易位(translocation)染色体结构异常的类型20缺失(deletion)；染色体结构异常的类型202121三、非整倍体和多倍体非整倍体(aneuploidy)：增加或减少一条或几条染色体；多倍体(polyploidy)：染色体数目成倍增加22三、非整倍体和多倍体非整倍体(aneuploidy)：增加第三节化学毒物致突变作用的机制及后果23第三节23烷化剂(alkylatingagent)：对DNA和蛋白质都有强烈烷化作用的物质(一)碱基损伤1．碱基错配一、引起突变的DNA变化烷化作用：烷化剂提供甲基或乙基等烷基与DNA共价结合的过程24烷化剂(alkylatingagent)：对DNA和蛋白25259-氨基吖啶（9-aminoacridine）分子较为扁平，能够结合到DNA分子上，插入邻近的碱基对，使它们分开，造成DNA链歪斜，引起排列参差，产生两个重组子，一个碱基对增多，一个碱基对减少，即造成碱基对的缺失或者额外碱基对的插入2．平面大分子嵌入DNA链269-氨基吖啶（9-aminoacridine）有些化学物的结构与碱基非常相似，称为碱基类似物3．碱基类似物取代在细胞周期的DNA合成期(S期)中，碱基类似物能与正常的碱基竞争，取代其位置，造成错误配对，即发生碱基置换27有些化学物的结构与碱基非常相似，称为碱基类似物化学物氧化碱基，破坏或改变碱基的结构，或引起链断裂。它们主要改变核酸中核苷酸的化学组成，其作用与DNA复制无关4．碱基的化学结构改变或破坏28化学物氧化碱基，破坏或改变碱基的结构，或引起链2929碱基置换：亚硝酸盐能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化性脱氨，相应生成次黄嘌呤和尿嘧啶；羟胺使胞嘧啶C-6位的氨基变为羟氨基破坏碱基结构：如甲醛，可在机体内形成有机过氧化物或自由基来破坏嘌呤碱，最终导致DNA链的断裂30碱基置换：亚硝酸盐能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化性脱氨，相应生当细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学变化，主要产生环丁烷嘧啶二聚体和(4-6)光产物(4-6-photoproduct)。可阻止DNA的复制，并引起细胞死亡（二）DNA链受损1．二聚体的形成31当细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学3232辐射的致突变机制使连接A-T、C-G之间的氢键断裂DNA的一个或两个键中的糖-磷酸基之间断裂DNA同一条链上，相邻的嘧啶形成二聚体水电离产生自由基，引起突变辐射使DNA双链断裂或单链断裂33辐射的致突变机制使连接A-T、C-G之间的氢键断裂33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，很难用一般的化学或生物学方法使其解离DNA加合物形成可活化癌基因，影响调节基因和抑癌基因的表达2．DNA加合物形成34活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定是一种稳定的共价结合物不同的化学物引起DNA-蛋白质交联物的交联有所不同对DNA构象与功能产生严重影响烷化剂、B(a)P、砷化物、醛、重金属3．DNA-蛋白质交联物形成(DNA-proteincrosslinks，DPC)35是一种稳定的共价结合物3．DNA-蛋白质交联物形成353636非整倍体和多倍体是由于染色体分离异常而产生二、引起突变的细胞分裂过程的改变细胞分裂过程的改变：纺锤体，微管蛋白的合成与聚合，微管结合蛋白合成与功能发挥，细胞分裂纺锤纤维的功能发挥，着丝粒与之有关的蛋白质作用，极体复制与分离，减数分裂时同源染色体联合配对和重组37非整倍体和多倍体是由于染色体分离异常而产生二、引起突变的细非整倍体细胞由正常细胞未分裂而产生，结果是纺锤体的一极接受了同源或两个染色单体，而另一极则没有同源染色体减数分裂I期不能适当分离姐妹染色体在减数分裂Ⅱ期，或有丝分裂期不能适当分离38非整倍体细胞由正常细胞未分裂而产生，结果是纺锤体的一极接受多倍体涉及整个染色体的情况染色体分裂时，染色体单体不能分离，产生一个4倍体细胞配子为2倍体，产生一个多倍体的受精卵一个卵子被一个以上精子授精39多倍体涉及整个染色体的情况染色体分裂时，染色体单体不能分微管蛋白二聚体是构成纺锤体的基本成分。如其某一特定位置被占据，将妨碍微管的正确组装，导致细胞分裂被抑制秋水仙碱即可与该结合部位结合，导致细胞染色体不分离1．与微管蛋白二聚体结合非整倍体与多倍体产生机制40微管蛋白二聚体是构成纺锤体的基本成分。如其某一特定位置被占化学毒物与微管蛋白的巯基特异性结合，影响微管的作用。不同化学结构的物质，与微管蛋白不同部位的巯基结合2．与微管上的巯基结合苯基汞与着丝粒微管结合，甲基汞与极间微管结合，将造成多种后果。通常是使细胞分裂部分抑制，即造成非整倍体41化学毒物与微管蛋白的巯基特异性结合，影响微管的作用。不同化秋水仙碱，灰黄霉素，长春花碱可与微管结合蛋白结合，结合点和作用方式不尽相同，都可使已组装好的微管解聚非特异性作用微管，使其蛋白质变性，使微管失去定向能力化学毒物破坏微管的方式3.已组装好的微管的破坏42秋水仙碱，灰黄霉素，长春花碱可与微管结合蛋白结合，结合点和秋水仙碱妨碍有丝分裂早期两对中心粒的分离和移向两极N2O使组装好的微管破坏，中心粒位置不正常等现象，机制不明4．中心粒移动受阻5．其他作用43秋水仙碱妨碍有丝分裂早期两对中心粒的分离和移向1．DNA的高保真复制过程中的任何一个环节损伤，将影响DNA复制的高保真性，有可能引起突变三、其他的改变2．DNA修复过程是清除受损伤的DNA片段，并合成新的片段来替换的过程。修复过程依赖多种酶441．DNA的高保真复制过程中的任何一个环节损伤，将影响DNA四、突变的后果45四、突变的后果45致死性突变：影响后代的数量1．生殖细胞突变

显性：使精子不能受精，或合子在着床前死亡或着床后早期胚胎死亡

隐性：需纯合子或半合子才能出现死亡。如果是杂合子则不出现死亡46致死性突变：影响后代的数量1．生殖细胞突变显性：使精子不

显性遗传：造成下一代遗传病发生率增加或新病种出现；

隐性遗传：增加下一代基因库的遗传负荷非致死性突变：影响后代的质量47显性遗传：造成下一代遗传病发生率增加或新病种出现；非致死

基因库（genepool）

遗传负荷（geneticload）某一物种在特定时期中能将遗传信息传至下一代的处于生育年龄的群体所含有的基因总和；一种物种的群体中每一个携带的可遗传给下一代的有害基因的平均水平48基因库（genepool）遗传负荷（geneticl肿瘤衰老动脉粥样硬化致畸2.体细胞突变49肿瘤2.体细胞突变49第四节机体对致突变作用的影响50第四节50针对紫外线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体的修复机制一、DNA损伤的修复1．光复活依赖光，酶切嘧啶二聚体，将毗连的嘧啶接回原结构上光裂合酶(photolyase)，广泛存在于原核生物和真核生物体内51针对紫外线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体的修复机制一、DNA损伤5252鸟嘌呤O6位被烷化，易造成碱基错配烷基转移酶将鸟嘌呤O6位甲基转给蛋白质，使其恢复正常的碱基配对特性O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基化转移酶2．“适应性”反应53鸟嘌呤O6位被烷化，易造成碱基错配2．“适应性”反应53负责较大范围损伤的修复机制，多步骤修复过程，存在于真核生物3．切除修复切除核苷酸修复切除碱基修复误配修复54负责较大范围损伤的修复机制，多步骤修复过程，存填补损伤部位，使复制得以继续进行，但DNA损伤部位仍然存在是一种耐受过程，容忍损伤继续存在和在高突变率情况下，换取细胞继续生存4．复制后修复(postreplicationrepair，PRR)55填补损伤部位，使复制得以继续进行，但DNA损伤部位仍然存在诱导性修复，在各种诱导因素作用下，使SOS功能群表达；修复过程有明显误差，不同长度核苷酸链错误插入，因而表现为高频率的突变；SOS系统为多基因控制，其中任何一个发生突变，SOS修复功能就不能表达5.呼救性修复（SOSrepair）56诱导性修复，在各种诱导因素作用下，使SOS功能群表达；5.增强代谢活化抑制代谢灭活(一)代谢酶遗传多态性二、遗传因素对致突变作用的影响不同个体间肿瘤易发差异的原因之一57增强代谢活化(一)代谢酶遗传多态性二、遗传因素对致突变作特异性修复酶1．O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(MGMT)(二)修复功能的个体差异将嘌呤与胸嘧啶上的烷基转移到自身胱氨酸的残基上有明显的组织差异和个体差异58特异性修复酶1．O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(二)DNA断裂修复酶，可能是氧化损伤的一种重要修复形式通过其催化的反应产生多种生物学效应，如诱导细胞NAD消耗；抗重组和基因稳定的作用；核酶修饰作用；组蛋白结合及对染色体构型的影响；参与细胞凋亡2．聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(PARP)59DNA断裂修复酶，可能是氧化损伤的一种重要修复形式2．聚(第五节观察化学毒物致突变作用的基本方法60第五节60一、观察项目的选择1．观察效应终点的类型通过试验观察到的现象所反映的各种事件统称为遗传学终点（geneticendpoint）61一、观察项目的选择1．观察效应终点的类型通过试国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC)于1983年提出致突变试验的遗传学终点分为5类DNA完整性的改变DNA重排或交换DNA碱基序列改变染色体完整性改变染色体分离改变62国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC2．成套的观察项目化学毒物的种类、结构、致突变机制、靶细胞各异致突变物中仅少数具有直接致突变作用，大多数为间接致突变作用化学毒物的致突变性有强弱之分632．成套的观察项目化学毒物的种类、结构、致突变机制、靶细胞入选原则应包括5类遗传学终点应包括多种进化程度不同的物种体内试验与体外试验配合体细胞试验阳性，再进行生殖细胞试验验证阳性结果在体内的真实性，必要时再选用生殖细胞致突变试验64入选原则应包括5类遗传学终点应包括多种进化程度不同的利用突变体的测试菌株，观察受试物能否纠正或补偿突变体所携带的突变改变，判断其致突变性。常用的菌株有鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)和大肠杆菌(E.Coli)二、常用的致突变试验1．细菌回复突变试验(Ames试验)65利用突变体的测试菌株，观察受试物能否纠正或补偿突变的菌株必需依赖外源性组氨酸才能生长，而在无组氨酸的选择性培养基上不能存活，致突变物可使其基因发生回复突变，使它在缺乏组氨酸的培养基上也能生长原理66突变的菌株必需依赖外源性组氨酸才能生长，而在无6767是染色体或染色单体的无着丝点断片或纺锤丝受损伤而丢失的整个染色体2．微核试验(micronucleustest，MNT)可检出DNA断裂剂和非整倍体诱变剂灵敏度与细胞遗传学试验基本相同简易、省时68是染色体或染色单体的无着丝点断片或纺锤丝受损伤而丢失的整个微核试验结果69微核试验结果693．染色体畸变分析观察染色体形态结构和数目改变称为染色体畸变分析(chromosomeaberrationanalysis)，又称细胞遗传学试验(cytogeneticassay)703．染色体畸变分析观察染色体形态结构和数目改变分裂中期相用显微镜检查染色体畸变和染色体分离异常观察裂隙、断裂、断片、无着丝粒环、染色体环、双或多着丝粒染色体、射体和染色体粉碎ChromosomePairsinHumanCells71分裂中期相用显微镜检查染色体畸变和染色体分离异常Chrom原理4．姐妹染色单体交换试验(sister-chromatidexchange，SCE)对于分裂的细胞，如将5溴脱氧尿嘧啶核苷(5-BrdU)加入合成DNA的原料中，经过两个分裂周期后，两条染色单体，其中一条DNA链的双股内的胸腺嘧啶核苷均被BrdU取代，另一条只有一股被取代72原理4．姐妹染色单体交换试验(sister-chromati用染色剂如吉姆萨和光处理，使双股含BrdU的染色单体着色浅淡，而单股含BrdU的染色单体着色深计数SCE数，判断受试物对DNA是否有损伤作用73用染色剂如吉姆萨和光处理，使双股含BrdU的染色单体着色浅利用隐性基因在伴性遗传中具有交叉遗传特征，给予雄蝇受试物，如雄蝇的X染色体有突变，传给F1代雌蝇，再通过F1代雌蝇传给F2代雄蝇，使位于X染色体上的隐性基因在半合型雄蝇表现出来5.果蝇伴性隐性致死试验(sex-linkedrecessivelethaltest，SLRL)74利用隐性基因在伴性遗传中具有交叉遗传特征，给予与哺乳动物差异较大，结果外推应慎重果蝇实验的阳性结果价值高阴性结果需真核系统试验支持能检出点突变、小缺失、重排75与哺乳动物差异较大，结果外推应慎重75检测整体哺乳动物生殖细胞遗传性损伤的体内试验，如染色体断裂所导致的大缺失或重复，或者同时还有因染色体重排所形成的不平衡染色体分离或不分离6．显性致死试验显性致死突变：哺乳动物生殖细胞染色体发生结构和数目变化，出现受精卵在着床前死亡和胚胎早期死亡76检测整体哺乳动物生殖细胞遗传性损伤的体内试验，如染色体断裂判断受试物有无对雄性生殖系统的损害、敏感阶段、是否具有致突变作用评价化学毒物对雄性动物的生殖细胞遗传毒性较好的方法之一确证体外试验或其他试验系统获得的阳性结果77判断受试物有无对雄性生殖系统的损害、敏感阶段、是否具有致突正常细胞需经过细胞周期达到增殖的目的，细胞周期包括G1期、S期、G2期和M期，在S期的DNA合成是按固定程序进行的，称为程序性DNA合成(scheduledDNAsynthesis)7．程序外DNA合成试验78正常细胞需经过细胞周期达到增殖的目的，细胞周期DNA损伤时会发生在S期半保留DNA程序合成之外的DNA合成，称之为程序外DNA合成（unscheduledDNAsynthesis），它是机体为保证其遗传特征的高度稳定而对DNA双链上出现的变异或损伤进行修复合成的过程79DNA损伤时会发生在S期半保留DNA程序合成之分离或培养的细胞，加入标记DNA合成原料，如3H-胸苷以3H-胸苷掺入细胞量的增加，判断受试物是否造成DNA损伤经济、快速、操作简便80分离或培养的细胞，加入标记DNA合成原料，如3H-胸苷80彗星试验（cometassay），在单细胞水平上检测有核细胞DNA损伤与修复8．单细胞凝胶电泳（SCGE）试验增加的DNA迁移和增加SSB（单链DNA断裂）的水平有关可进行体外试验和体内试验81彗星试验（cometassay），在单细胞水平上检测有核获得细胞悬液，制作含有细胞的琼脂糖的载玻片；裂解细胞以释放DNA；在碱性溶液中（pH13）获得单链DNA，在碱性条件下电泳中和碱，DNA染色彗星显像，记数彗星方法82获得细胞悬液，制作含有细胞的琼脂糖的载玻片；方法82敏感性高对样品数要求少，适应性高低花费操作简便耗时少优点83敏感性高优点83(1)转基因小鼠致突变检测系统9．观察方法的新进展利用穿梭载体于原核和真核间往返转移，带可回收靶基因载体的转基因小鼠提供哺乳动物体内基因的检测系统，用以测定自发和诱发突变率，分析基因突变的组织专一性和顺序变化，阐明DNA修复、基因毒性、突变和癌变的分子机制84(1)转基因小鼠致突变检测系统9．观察方法的新进展(2)微核自动化检测技术主要使用流式细胞仪和图像分析系统两种仪器。流式细胞仪具有测定精确，定量参数多，检测速度快的特点85(2)微核自动化检测技术主要使用流式细胞仪和(3)荧光原位杂交技术(fluorescenceinsituhybridization，FISH)将荧光标记或经特殊修饰的核酸探针与已固定的组织、细胞或染色体中DNA、RNA杂交，继而通过分析标记探针在被检对象中的显示状况而达到对特殊目标顺序进行检测、定位的目的86(3)荧光原位杂交技术(fluorescenceins应用对染色体精细结构的分析；对非整倍体的检测体细胞或生殖细胞；分裂细胞或间期细胞，都能检出染色体断裂剂、非整倍体诱发剂，并可检出染色体精细结构改变87应用对染色体精细结构的分析；体细胞或生殖细胞三、致突变试验中的一些问题1．阴性、阳性对照的设立目的是获得实验的基础数据(1)阴性对照(2)阳性对照通过对阳性物质的试验证明实验方法的可靠；验证实验者在本实验条件下，完成技术和鉴定致突变物的能力；证实经一段时间后，本实验的重复性88三、致突变试验中的一些问题1．阴性、阳性对照的设立许多化合物须经哺乳动物代谢才转变成致突变物，称为前致突变物(promutagen)2．体外试验的活化系统由于微生物和培养的哺乳动物细胞缺乏整体动物体内的许多代谢能力。在遗传毒理学试验中，必须加入代谢活化系统以检出前致突变物89许多化合物须经哺乳动物代谢才转变成致突变物，称使用完整的细胞，特别是大鼠肝原代细胞，与测试细菌或细胞一起培养。它有完整的细胞结构和各种酶及内源性辅助因子，代谢能力优于无细胞系统如S9，但不如体内活化系统(1)哺乳动物细胞介导90使用完整的细胞，特别是大鼠肝原代细胞，与测试细经酶诱导剂处理后制备的肝匀浆，再经9000g离心分离所得上清液，加上适当的缓冲液和辅助因子(2)S9含有混合功能氧化酶(MFO)，是国内常规应用于体外致突变试验的代谢活化系统缺点：随实验动物种属或器官不同而有差异；含有大量亲核物质有可能影响试验的敏感性91经酶诱导剂处理后制备的肝匀浆，再经9000g离应用纯化细胞色素P-450、谷胱甘肽转移酶及过氧化物水解酶，可严格控制代谢产物诱发突变的条件，但技术难度大。利用基因工程，将人的细胞色素P-450基因插入组合细胞内，用上述细胞进行致突变试验，使细胞具有代谢活化系统(3)纯化酶和基因工程92应用纯化细胞色素P-450、谷胱甘肽转移酶及过化学物质分类：遗传毒性致癌物，非遗传毒性致癌物，遗传毒性非致癌物和非遗传毒性非致癌物四类3．致突变试验与致癌试验的关系致突变试验仅可检出遗传毒性致癌物和非遗传毒性非致癌物，可能出现假阳性和假阴性93化学物质分类：遗传毒性致癌物，非遗传毒性致癌物，遗传毒性非4．试验结果在毒理学安全性评价中的作用致突变试验的质量控制设立对照盲法观察资料的统计学分析试验结果的重现性944．试验结果在毒理学安全性致突变试验的质量控制设立对照94最高剂量应包括受试物溶解度许可或灌胃量许可的最大剂量（LD50或LD80）阴性结果判定条件各剂量组的组间差距不应过大，以防漏检仅在非常狭窄范围内才有突变能力的某些化学毒物在一组或多组的观察值：阴性对照比较有显著性差异95最高剂量应包括受试物溶解度许可或灌胃量许可的最大剂量（LD谢谢！96谢谢！96第七章外源化学物致突变用97第七章1第一节概述98第一节概述2变异（variation）一、基本概念在亲子之间或子代个体之间出现不同程度的差异，称为变异（variation）亲代个体杂交，基因重组；基因突变，新基因产生；染色体组成或细胞质发生变化99变异（variation）一、基本概念在亲子之间突变（mutation）遗传结构本身的变化及其引起的变异自发突变(spontaneousmutation)诱发突变(inducedmutation)100突变（mutation）遗传结构本身的变化及其引起的变异自致突变作用（mutagenesis）外来因素引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，且此种改变可随同细胞分裂过程而传递能够引起突变的物质致突变物（mutagen）101致突变作用（mutagenesis）外来因素引DNA由脱氧核糖、磷酸及碱基组成，基本成分为四种核苷酸，形成双螺旋结构二、遗传学基础1．DNA与基因102DNA由脱氧核糖、磷酸及碱基组成，基本成分为四基因（gene）：DNA分子中最小的完整功能单位，是生物遗传信息的携带者基因组（genome）：细胞或生物体的一套完整单体的遗传物质GeneralorganizationoftheDNAsequence.

OnlytheexonsencodeafunctionalpeptideorRNA.

Thecodingregionaccountsforabout3%ofthetotalDNAinahumancell.103基因（gene）：DNA分子中最小的完整功能单位，是生物遗在间期细胞的细胞核中，通过光镜可见一种能被碱性染料着色的物质，即染色质（chromatin）。它由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量的RNA组成，形似串珠状的复合体2.染色质与染色体104在间期细胞的细胞核中，通过光镜可见一种能被碱性3．体细胞和生殖细胞

体细胞（somaticcell）多是二倍体（diploid）细胞，含有两组完全相同的染色体，其遗传损伤不会遗传给下一代

生殖细胞（germcell）往往是单倍体，其染色体改变可传给下一代1053．体细胞和生殖细胞体细胞（somaticcell）多是细胞一次分裂结束，并开始生长，到下一次分裂终了所经历的过程5．细胞周期G0：DNA合成前期；G1：DNA合成期；S：完成DNA复制；G2：为有丝分裂做准备；M：有丝分裂期106细胞一次分裂结束，并开始生长，到下一次分裂终了一个细胞生成两个子细胞，每个子细胞各具有与亲代细胞完全相同的染色体有丝分裂（mitosis）核的变化染色体和纺锤体的变化细胞器的变化染色体平均分配107一个细胞生成两个子细胞，每个子细胞各具有与亲代通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂方式。细胞核分裂两次，而染色体只复制一次，经过分裂后染色体数目减少一半，变成单倍体（haploid）减数分裂（meiosis）108通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂第二节化学毒物致突变的类型109第二节13基因中DNA序列的变化。因基因突变限制在一特定的部位，故称为点突变(pointmutation)一、基因突变碱基置换移码突变基因突变110基因中DNA序列的变化。因基因突变限制在一特定由错误配对（mispairing）导致原来的碱基对被错误碱基对所置换，称碱基置换1．碱基置换（basesubstitution）

转换（transition）：嘌呤置换另一嘌呤，或者是嘧啶置换另一嘧啶

颠换（transversion）：嘧啶换成嘌呤，或者嘌呤换成嘧啶111由错误配对（mispairing）导致原来的碱1121611317发生一对或几对(3对除外)的碱基减少或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译成为不正常的氨基酸2．移码突变(frameshiftmutation)114发生一对或几对(3对除外)的碱基减少或增加，以二、染色体畸变染色体的结构改变，可用光学显微镜检查适当细胞有丝分裂中期的染色体来发现染色体畸变（chromosomeaberration）染色单体型畸变(chromatid-typeaberration)染色体型畸变（chromosome-typeaberration）115二、染色体畸变染色体的结构改变，可用光学显微镜检缺失(deletion)；重复(duplication)；倒位(inversion)；易位(translocation)染色体结构异常的类型116缺失(deletion)；染色体结构异常的类型2011721三、非整倍体和多倍体非整倍体(aneuploidy)：增加或减少一条或几条染色体；多倍体(polyploidy)：染色体数目成倍增加118三、非整倍体和多倍体非整倍体(aneuploidy)：增加第三节化学毒物致突变作用的机制及后果119第三节23烷化剂(alkylatingagent)：对DNA和蛋白质都有强烈烷化作用的物质(一)碱基损伤1．碱基错配一、引起突变的DNA变化烷化作用：烷化剂提供甲基或乙基等烷基与DNA共价结合的过程120烷化剂(alkylatingagent)：对DNA和蛋白121259-氨基吖啶（9-aminoacridine）分子较为扁平，能够结合到DNA分子上，插入邻近的碱基对，使它们分开，造成DNA链歪斜，引起排列参差，产生两个重组子，一个碱基对增多，一个碱基对减少，即造成碱基对的缺失或者额外碱基对的插入2．平面大分子嵌入DNA链1229-氨基吖啶（9-aminoacridine）有些化学物的结构与碱基非常相似，称为碱基类似物3．碱基类似物取代在细胞周期的DNA合成期(S期)中，碱基类似物能与正常的碱基竞争，取代其位置，造成错误配对，即发生碱基置换123有些化学物的结构与碱基非常相似，称为碱基类似物化学物氧化碱基，破坏或改变碱基的结构，或引起链断裂。它们主要改变核酸中核苷酸的化学组成，其作用与DNA复制无关4．碱基的化学结构改变或破坏124化学物氧化碱基，破坏或改变碱基的结构，或引起链12529碱基置换：亚硝酸盐能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化性脱氨，相应生成次黄嘌呤和尿嘧啶；羟胺使胞嘧啶C-6位的氨基变为羟氨基破坏碱基结构：如甲醛，可在机体内形成有机过氧化物或自由基来破坏嘌呤碱，最终导致DNA链的断裂126碱基置换：亚硝酸盐能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化性脱氨，相应生当细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学变化，主要产生环丁烷嘧啶二聚体和(4-6)光产物(4-6-photoproduct)。可阻止DNA的复制，并引起细胞死亡（二）DNA链受损1．二聚体的形成127当细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学12832辐射的致突变机制使连接A-T、C-G之间的氢键断裂DNA的一个或两个键中的糖-磷酸基之间断裂DNA同一条链上，相邻的嘧啶形成二聚体水电离产生自由基，引起突变辐射使DNA双链断裂或单链断裂129辐射的致突变机制使连接A-T、C-G之间的氢键断裂33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，很难用一般的化学或生物学方法使其解离DNA加合物形成可活化癌基因，影响调节基因和抑癌基因的表达2．DNA加合物形成130活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定是一种稳定的共价结合物不同的化学物引起DNA-蛋白质交联物的交联有所不同对DNA构象与功能产生严重影响烷化剂、B(a)P、砷化物、醛、重金属3．DNA-蛋白质交联物形成(DNA-proteincrosslinks，DPC)131是一种稳定的共价结合物3．DNA-蛋白质交联物形成3513236非整倍体和多倍体是由于染色体分离异常而产生二、引起突变的细胞分裂过程的改变细胞分裂过程的改变：纺锤体，微管蛋白的合成与聚合，微管结合蛋白合成与功能发挥，细胞分裂纺锤纤维的功能发挥，着丝粒与之有关的蛋白质作用，极体复制与分离，减数分裂时同源染色体联合配对和重组133非整倍体和多倍体是由于染色体分离异常而产生二、引起突变的细非整倍体细胞由正常细胞未分裂而产生，结果是纺锤体的一极接受了同源或两个染色单体，而另一极则没有同源染色体减数分裂I期不能适当分离姐妹染色体在减数分裂Ⅱ期，或有丝分裂期不能适当分离134非整倍体细胞由正常细胞未分裂而产生，结果是纺锤体的一极接受多倍体涉及整个染色体的情况染色体分裂时，染色体单体不能分离，产生一个4倍体细胞配子为2倍体，产生一个多倍体的受精卵一个卵子被一个以上精子授精135多倍体涉及整个染色体的情况染色体分裂时，染色体单体不能分微管蛋白二聚体是构成纺锤体的基本成分。如其某一特定位置被占据，将妨碍微管的正确组装，导致细胞分裂被抑制秋水仙碱即可与该结合部位结合，导致细胞染色体不分离1．与微管蛋白二聚体结合非整倍体与多倍体产生机制136微管蛋白二聚体是构成纺锤体的基本成分。如其某一特定位置被占化学毒物与微管蛋白的巯基特异性结合，影响微管的作用。不同化学结构的物质，与微管蛋白不同部位的巯基结合2．与微管上的巯基结合苯基汞与着丝粒微管结合，甲基汞与极间微管结合，将造成多种后果。通常是使细胞分裂部分抑制，即造成非整倍体137化学毒物与微管蛋白的巯基特异性结合，影响微管的作用。不同化秋水仙碱，灰黄霉素，长春花碱可与微管结合蛋白结合，结合点和作用方式不尽相同，都可使已组装好的微管解聚非特异性作用微管，使其蛋白质变性，使微管失去定向能力化学毒物破坏微管的方式3.已组装好的微管的破坏138秋水仙碱，灰黄霉素，长春花碱可与微管结合蛋白结合，结合点和秋水仙碱妨碍有丝分裂早期两对中心粒的分离和移向两极N2O使组装好的微管破坏，中心粒位置不正常等现象，机制不明4．中心粒移动受阻5．其他作用139秋水仙碱妨碍有丝分裂早期两对中心粒的分离和移向1．DNA的高保真复制过程中的任何一个环节损伤，将影响DNA复制的高保真性，有可能引起突变三、其他的改变2．DNA修复过程是清除受损伤的DNA片段，并合成新的片段来替换的过程。修复过程依赖多种酶1401．DNA的高保真复制过程中的任何一个环节损伤，将影响DNA四、突变的后果141四、突变的后果45致死性突变：影响后代的数量1．生殖细胞突变

显性：使精子不能受精，或合子在着床前死亡或着床后早期胚胎死亡

隐性：需纯合子或半合子才能出现死亡。如果是杂合子则不出现死亡142致死性突变：影响后代的数量1．生殖细胞突变显性：使精子不

显性遗传：造成下一代遗传病发生率增加或新病种出现；

隐性遗传：增加下一代基因库的遗传负荷非致死性突变：影响后代的质量143显性遗传：造成下一代遗传病发生率增加或新病种出现；非致死

基因库（genepool）

遗传负荷（geneticload）某一物种在特定时期中能将遗传信息传至下一代的处于生育年龄的群体所含有的基因总和；一种物种的群体中每一个携带的可遗传给下一代的有害基因的平均水平144基因库（genepool）遗传负荷（geneticl肿瘤衰老动脉粥样硬化致畸2.体细胞突变145肿瘤2.体细胞突变49第四节机体对致突变作用的影响146第四节50针对紫外线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体的修复机制一、DNA损伤的修复1．光复活依赖光，酶切嘧啶二聚体，将毗连的嘧啶接回原结构上光裂合酶(photolyase)，广泛存在于原核生物和真核生物体内147针对紫外线损伤产生的胸腺嘧啶二聚体的修复机制一、DNA损伤14852鸟嘌呤O6位被烷化，易造成碱基错配烷基转移酶将鸟嘌呤O6位甲基转给蛋白质，使其恢复正常的碱基配对特性O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基化转移酶2．“适应性”反应149鸟嘌呤O6位被烷化，易造成碱基错配2．“适应性”反应53负责较大范围损伤的修复机制，多步骤修复过程，存在于真核生物3．切除修复切除核苷酸修复切除碱基修复误配修复150负责较大范围损伤的修复机制，多步骤修复过程，存填补损伤部位，使复制得以继续进行，但DNA损伤部位仍然存在是一种耐受过程，容忍损伤继续存在和在高突变率情况下，换取细胞继续生存4．复制后修复(postreplicationrepair，PRR)151填补损伤部位，使复制得以继续进行，但DNA损伤部位仍然存在诱导性修复，在各种诱导因素作用下，使SOS功能群表达；修复过程有明显误差，不同长度核苷酸链错误插入，因而表现为高频率的突变；SOS系统为多基因控制，其中任何一个发生突变，SOS修复功能就不能表达5.呼救性修复（SOSrepair）152诱导性修复，在各种诱导因素作用下，使SOS功能群表达；5.增强代谢活化抑制代谢灭活(一)代谢酶遗传多态性二、遗传因素对致突变作用的影响不同个体间肿瘤易发差异的原因之一153增强代谢活化(一)代谢酶遗传多态性二、遗传因素对致突变作特异性修复酶1．O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(MGMT)(二)修复功能的个体差异将嘌呤与胸嘧啶上的烷基转移到自身胱氨酸的残基上有明显的组织差异和个体差异154特异性修复酶1．O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(二)DNA断裂修复酶，可能是氧化损伤的一种重要修复形式通过其催化的反应产生多种生物学效应，如诱导细胞NAD消耗；抗重组和基因稳定的作用；核酶修饰作用；组蛋白结合及对染色体构型的影响；参与细胞凋亡2．聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(PARP)155DNA断裂修复酶，可能是氧化损伤的一种重要修复形式2．聚(第五节观察化学毒物致突变作用的基本方法156第五节60一、观察项目的选择1．观察效应终点的类型通过试验观察到的现象所反映的各种事件统称为遗传学终点（geneticendpoint）157一、观察项目的选择1．观察效应终点的类型通过试国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC)于1983年提出致突变试验的遗传学终点分为5类DNA完整性的改变DNA重排或交换DNA碱基序列改变染色体完整性改变染色体分离改变158国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC2．成套的观察项目化学毒物的种类、结构、致突变机制、靶细胞各异致突变物中仅少数具有直接致突变作用，大多数为间接致突变作用化学毒物的致突变性有强弱之分1592．成套的观察项目化学毒物的种类、结构、致突变机制、靶细胞入选原则应包括5类遗传学终点应包括多种进化程度不同的物种体内试验与体外试验配合体细胞试验阳性，再进行生殖细胞试验验证阳性结果在体内的真实性，必要时再选用生殖细胞致突变试验160入选原则应包括5类遗传学终点应包括多种进化程度不同的利用突变体的测试菌株，观察受试物能否纠正或补偿突变体所携带的突变改变，判断其致突变性。常用的菌株有鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)和大肠杆菌(E.Coli)二、常用的致突变试验1．细菌回复突变试验(Ames试验)161利用突变体的测试菌株，观察受试物能否纠正或补偿突变的菌株必需依赖外源性组氨酸才能生长，而在无组氨酸的选择性培养基上不能存活，致突变物可使其基因发生回复突变，使它在缺乏组氨酸的培养基上也能生长原理162突变的菌株必需依赖外源性组氨酸才能生长，而在无16367是染色体或染色单体的无着丝点断片或纺锤丝受损伤而丢失的整个染色体2．微核试验(micronucleustest，MNT)可检出DNA断裂剂和非整倍体诱变剂灵敏度与细胞遗传学试验基本相同简易、省时164是染色体或染色单体的无着丝点断片或纺锤丝受损伤而丢失的整个微核试验结果165微核试验结果693．染色体畸变分析观察染色体形态结构和数目改变称为染色体畸变分析(chromosomeaberrationanalysis)，又称细胞遗传学试验(cytogeneticassay)1663．染色体畸变分析观察染色体形态结构和数目改变分裂中期相用显微镜检查染色体畸变和染色体分离异常观察裂隙、断裂、断片、无着丝粒环、染色体环、双或多着丝粒染色体、射体和染色体粉碎ChromosomePairsinHumanCells167分裂中期相用显微镜检查染色体畸变和染色体分离异常Chrom原理4．姐妹染色单体交换试验(sister-chromatidexchange，SCE)对于分裂的细胞，如将5溴脱氧尿嘧啶核苷(5-BrdU)加入合成DNA的原料中，经过两个分裂周期后，两条染色单体，其中一条DNA链的双股内的胸腺嘧啶核苷均被BrdU取代，另一条只有一股被取代168原理4．姐妹染色单体交换试验(sister-chromati用染色剂如吉姆萨和光处理，使双股含BrdU的染色单体着色浅淡，而单股含BrdU的染色单体着色深计数SCE数，判断受试物对DNA是否有损伤作用169用染色剂如吉姆萨和光处理，使双股含BrdU的染色单体着色浅利用隐性基因在伴性遗传中具有交叉遗传特征，给予雄蝇受试物，如雄蝇的X染色体有突变，传给F1代雌蝇，再通过F1代雌蝇传给F2代雄蝇，使位于X染色体上的隐性基因在半合型雄蝇表现出来5.果蝇伴性隐性致死试验(sex-linkedrecessivelethaltest，SLRL)170利用隐性基因在伴性遗传中具有交叉遗传特征，给予与哺乳动物差异较大，结果外推应慎重果蝇实验的阳性结果价值高阴性结果需真核系统试验支持能检出点突变、小缺失、重排171与哺乳动物差异较大，结果外推应慎重75检测整体哺乳动物生殖细胞遗传性损伤的体内试验，如染色体断裂所导致的大缺失或重复，或者同时还有因染色体重排所形成的不平衡染色体分离或不分离6．显性致死试验显性致死突变：哺乳动物生殖细胞染色体发生结构和数目变化，出现受精卵在着床前死亡和胚胎早期死亡172检测整体哺乳动物生殖细胞遗传性损伤的体内试验，如染色体断裂判断受试物有无对雄性生殖系统的损害、敏感阶段、是否具有致突变作用评价化学毒物对雄性动物的生殖细胞遗传毒性较好的方法之一确证体外试验或其他试验系统获得的阳性结果173判断受试物有无对雄性生殖系统的损害、敏感阶段、是否具有致突正常细胞需经过细胞周期达到增殖的目的，细胞周期包括G1期、S期、G2期和M期，在S期的DNA合成是按固定程序进行的，称为程序性DNA合成(scheduledDNAsynthesis)7．程序外DNA合成试验174正常细胞需经过细胞周期达到增殖的目的，细胞周期DNA损伤时会发生在S期半保留DNA程序合成之外的DNA合成，称之为程序外DNA合成（unscheduledDNAsynthesis），它是机体为保证其遗传特征的高度稳定而对DNA双链上出现的变异或损伤进行修复合成的过程175DNA损伤时会发生在S期半保留DNA程序合成之分离或培养的细胞，加入标记DNA合成原料，如3H-胸苷以3