遗传毒性及其评价

外源化学物遗传毒性及其评价第二军医大学卫生毒理学教研室郑怡文遗传毒性及其评价第1页第一节基本概念第二节遗传毒性类型第六节遗传毒性评价第五节遗传毒性检测方法第四节遗传毒性后果第三节遗传毒性机制遗传毒性及其评价第2页第一节基本概念遗传毒性及其评价第3页遗传毒理学(genetictoxicology)研究环境原因对机体遗传物质和遗传过程作用,说明遗传毒性对机体健康后果及其作用机制,为保护人体健康和生态平衡提供科学依据一门毒理学分支学科。基本概念遗传毒性及其评价第4页突变是一个遗传状态，是能够经过复制而遗传DNA结构永久性改变遗传毒性及其评价第5页化学物质遗传物质

突变(mutation)遗传毒物(genotoxicant)

诱变剂(mutagen)致突变物能力－遗传毒性(genetictoxicity/genotoxicity)诱变性(mutagenicity)致突变性直接致突变物—无需代谢活化

(direct-actingmutagen)间接致突变物—需代谢活化(indirect-actingmutagen)基本概念过程－致突变(mutagenesis)

遗传毒性及其评价第6页按发生方式

突变自发突变(spontaneousmutation)诱发突变(inducedmutation)频率进程后果低渐进有益

高突然有害？遗传毒性及其评价第7页第二节遗传毒性类型遗传毒性及其评价第8页从遗传学角度分类

基因突变(genemutation)染色体结构畸变(structuralchromosomeaberration)染色体数目畸变(numericalchromosomeaberration)从发生机制角度分类

以DNA为靶损伤(包含基因突变和染色体结构畸变）

不以DNA为靶损伤(主要指染色体数目畸变）遗传毒性及其评价第9页遗传毒性类型基因突变染色体结构畸染色体数目畸变遗传毒性及其评价第10页指基因在结构上发生了碱基对组成和排列序列改变遗传毒性类型基因突变基因突变类型(一)依据基因结构改变(二)依据对遗传信息改变(三)依据突变效应方向分类遗传毒性及其评价第11页碱基置换(basesubstitution)：移码突变(frameshiftmutation)三核苷酸重复(tripletrepeats)大段损伤(largefragmentdamge)遗传毒性类型基因突变类型(一)依据基因结构改变遗传毒性及其评价第12页碱基置换(basesubstitution)——DNA核苷酸链上出现错误配对，某一碱基被另一碱基取代。因仅牵涉到一个碱基对，又称点突变。转换(transition)颠换(transvertion)遗传毒性类型基因突变AGTC遗传毒性及其评价第13页遗传毒性类型基因突变移码突变(frameshiftmutation)

——基因编码区内缺失或增加核苷酸数目不是3倍数而改变遗传阅读框突变。后果改变了产物氨基酸组成，并可能使蛋白质合成过早终止；若移码突变发生在必需碱基，则可能是致死；若插入或缺失三个碱基,阅读框架不变，其产物经常有活性或有部分活性——整码突变遗传毒性及其评价第14页三核苷酸重复(tripletrepeats)

又称三联体重复或三核苷酸扩展,即一特定三联核苷酸被扩增，重复数目超出正常数目当前已知有三联体重复遗传病：强直性肌营养不良症、亨廷顿(Huntington’s)病、脆性X综合征等。遗传毒性类型基因突变遗传毒性及其评价第15页大段损伤(largefragmentdamge)：亦称DNA重排指DNA序列上有较长一段序列重排分布,包含大段(一个碱基至数千个碱基)插入、缺失、取代、复制、放大和倒位。这类损伤有时可涉及两个基因甚至数个基因。遗传毒性类型基因突变遗传毒性及其评价第16页ABCDEFGHIJABCDEKLFGHIJABCDGHIJABCKLMGHIJABCDEFDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCGFEDHIJ正常插入缺失取代重复内重复放大倒位基因突变遗传毒性及其评价第17页遗传毒性类型基因突变类型(二)依据对遗传信息改变同义突变:是指没有改变基因产物氨基酸序列突变，与密码子吞并性相关错义突变:是指碱基序列改变引发了产物氨基酸序列改变无义突变:是指某个碱基改变使代表某个氨基酸密码子变为蛋白质合成终止密码子造成多肽链在成熟之前终止合成遗传毒性及其评价第18页(三)依据突变效应方向分类正向突变:是指改变了野生型性状突变回复突变:是指突变体所失去野生型性状能够通过第二次突变恢复（原点恢复突变极少）

突变型野生型回复突变正向突变未发生突变基因基因内存在突变位点遗传毒性类型基因突变类型遗传毒性及其评价第19页染色体结构畸变遗传毒性类型因为染色体或染色单体断裂，造成缺失或引发各种重排，从而出现染色体结构异常染色体型畸变－两条染色单体均包括

（DNA复制前损伤）染色单体型畸变－仅包括一条染色单体（DNA复制后损伤）断裂剂—凡能引发染色体断裂化学物质遗传毒性及其评价第20页染色体结构畸变染色体结构畸变裂隙(gap)

断裂(break)断片(fragment)和缺失(deletion)

微小体(minutebody)

无着丝点环环状染色体

双着丝点染色体

倒位(inversion)

易位(translocation)

插入(insertion)和重复(duplication)辐射体

遗传毒性类型遗传毒性及其评价第21页双着丝粒染色体和无着丝粒无着丝粒环遗传毒性及其评价第22页三辐体遗传毒性及其评价第23页四辐体遗传毒性及其评价第24页核内复制遗传毒性及其评价第25页类型公式染色体组整倍体单倍体二倍体三倍体四倍体非整倍体单体三体四体双三体缺体n2n3n4n2n-12n+12n+22n+1+12n-2(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABC)(ABCD)(ABCD)(A)(ABCD)(ABCD)(AA)(ABCD)(ABCD)(AB)(ABC)(ABC)注：A、B、C、D代表非同源染色体染色体数目畸变遗传毒性类型遗传毒性及其评价第26页第三节遗传毒性形成机制遗传毒性及其评价第27页致突变机制模式DNA损伤－修复－突变遗传毒性机制遗传毒性及其评价第28页一、DNA损伤(DNAdamage)

在遗传毒物作用下，DNA结构和功效发生改变，DNA复制与转录受到妨碍遗传毒性机制碱基损伤DNA链损伤遗传毒性及其评价第29页(一)碱基损伤1.碱基错配2.平面大分子嵌入DNA链遗传毒性及其评价第30页3.碱基类似物取代

BrdU(

5-脱氧尿嘧啶核苷)取代T互变异构

碱基置换错配（A:TG:CG:CA:T）2-AP（2-氨基嘌呤）取代鸟嘌呤互变异构

碱基置换错配(A:TG:C)

4.碱基化学修饰

碱基氧化脱氨--亚硝基引发遗传毒性及其评价第31页DNA链上相邻嘧啶共价相连，形成TT、TC、CC等嘧啶二聚体H-NH-NN-HN-HNNNNO‖O‖O‖O‖CH3CH3CH3CH3UV等‖O‖OOO‖‖32(二)DNA链损伤1.二聚体形成遗传毒性及其评价第32页2.DNA加合物形成

活性化学物与DNA、蛋白等细胞大分子之间经过共价键形成稳定复合物，通常极难用普通化学或生物学方法使其解离大加合物代表物：多环芳烃、生物毒素、黄曲霉毒素B、芳香胺类后果：DNA立体构象显著改变，阻断受损部位复制转录或造成移码突变小加合物代表物：烷化剂、亚硝基化合物后果：对DNA构象影响较小，易造成碱基错配遗传毒性及其评价第33页DNA-DNA交联

代表物：亚硝酸、丝裂霉素C、氮和硫芥子气、各种铂衍生物等后果：

DNA分子上一条链碱基与互补链上对应碱基形成共价连接，致使复制时不能解链，复制和转录终止DNA链内、链间、DNA与蛋白质交联

代表物：多功效烷化剂后果：交联后不易修复或易错修复，高度致突变，并致染色体断裂，易造成死性突变3.交联分子形成遗传毒性及其评价第34页碱基改变单链断裂双链断裂链内交联蛋白质间交联DNA－蛋白质交联无碱基位点链间交联DNA损伤常见类型

碱基类似物取代链间嵌入DNA链断裂DNA碱基修饰碱基烷化和共价结合DNA－DNA交联DNA－蛋白质交联……遗传毒性及其评价第35页二、DNA修复

DNA损伤修复按其机制可分为:损伤修复机制（repairmechanisms）损伤耐受机制（tolerancemechanisms）遗传毒性机制遗传毒性及其评价第36页(一)损伤逆转—直接修复损伤修复机制(repairmechanisms)

碱基切除修复(Baseexcisionrepair,BER)

(二)切除修复切除和替换损伤DNA碱基受损碱基移除由DNA糖基化酶开启,由多个酶共同完成主要针对DNA单链断裂、小碱基改变及氧化性损伤遗传毒性及其评价第37页核苷酸切除修复(Nucleotideexcisionrepair,NER)

最常见，是体内识别DNA损伤最多修复通路在DNA内切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等共同作用下，将DNA受损部位切除，并以另一条完整DNA链为模板，再填补切去部分遗传毒性及其评价第38页遗传毒性及其评价第39页（四）链断裂修复（五）交联修复（六）跨损伤DNA合成（三）错配修复(mismatchrepair,MMR)遗传毒性及其评价第40页损伤耐受机制(tolerancemechanisms)-未去除DNA损伤，但可允许细胞存活（一）重组修复－复制后修复

（二）SOS修复

在大肠杆菌，阻止DNA复制损伤等可诱发SOS修复系统，即诱导细胞产生特殊DNA聚合酶，以不严格碱基配对使复制经过损伤部位经过SOS修复，细胞得以存活，但常导入错误碱基，故为易错修复遗传毒性及其评价第41页常见DNA损伤及其修复机制DNA损伤原因

DNA损伤类型修复机制X射线氧自由基烷化剂自发脱碱基单链断裂无碱基位点氧化性碱基碱基切除修复紫外线多环芳烃嘧啶二聚体大分子DNA加合物核苷酸切除修复抗癌药（如顺铂丝裂霉素）双链断裂链间交联双链断裂修复（同源重组修复和末端连接）复制错误烷化剂碱基错配碱基缺失碱基插入错配修复遗传毒性及其评价第42页错配修复切除修复直接修复双链损伤单链损伤单个核苷酸短补片添加转录偶联性NER多个核苷酸长补片合成全基因组NER碱基切除修复核苷酸切除修复非同源性末端连接同源重组DNA修复遗传毒性及其评价第43页三、整倍体和非整倍体形成对DNA合成和修复相关酶系统作用对纺锤体毒作用

与微管蛋白二聚体结合

与微管上巯基结合

破坏已组装微管

妨碍中心粒移动

遗传毒性机制遗传毒性及其评价第44页表观遗传突变(epimutation)与突变环境原因能够经过基因组可遗传变异造成有害表型改变。然而,突变并不是基因组可遗传变异唯一机制。环境物质也可直接或间接改变甲基化模式和表观遗传状态等非DNA序列信息，造成功效基因表示改变，引发表型改变。

遗传毒性及其评价第45页遗传毒物作用机制遗传毒性及其评价第46页致突变机制模式DNA损伤－修复－突变遗传毒性及其评价第47页第四节遗传毒性后果遗传毒性及其评价第48页遗传毒物遗传毒性后果衰老未分化胚胎细胞受损流产死胎结构或功效畸形肿瘤？已分化胚胎细胞受损动脉硬化生殖细胞突变

体细胞突变不育遗传负荷增加流产死胎遗传病遗传负荷(geneticload):一个群体因为有害等位基因存在而使适应度下降现象。以人群中平均每个个体携带有害基因数量来表示。遗传毒性及其评价第49页第五节遗传毒性检测方法遗传毒性及其评价第50页检测基因突变

检测染色体畸变检测DNA损伤

遗传毒性及其评价第51页检测基因突变

细菌回复突变试验哺乳动物细胞基因突变试验昆虫突变试验哺乳动物体内突变分析

昆虫突变试验遗传毒性及其评价第52页检测基因突变

分子生物学技术基因组测序基因芯片转基因动物突变检测系统……遗传毒性及其评价第53页检测染色体畸变哺乳动物体外细胞遗传学分析哺乳动物体内细胞遗传学分析遗传毒性及其评价第54页检测DNA损伤DNA链断裂程序外DNA合成(UDS)DNA加合物检测DNA修复检测姐妹染色单体交换（SCE）

单细胞凝胶电泳遗传毒性及其评价第55页第六节遗传毒性评价遗传毒性及其评价第56页依据不一样测试对象和目标选择试验组合遗传试验组合标准试验组应能检测多个遗传学终点指示生物应包含几个进化阶段，最少要包含原核细胞与真核细胞两个系统应包含体细胞和生殖细胞突变试验应包含体内试验与体外试验体外试验应包含加与不加代谢活化系统遗传毒性及其评价第57页一些国家新药遗传毒性评价项目试验项目日本

欧共体

加拿大

中国

微生物回复突变试验++++哺乳动物培养细胞染色体畸变试验++++啮齿动物