1、外源化学物的遗传毒性及其评价,第二军医大学卫生毒理学教研室 郑怡文,第一节 基本概念,第二节 遗传毒性的类型,第六节 遗传毒性的评价,第五节 遗传毒性的检测方法,第四节 遗传毒性的后果,第三节 遗传毒性的机制,第一节 基本概念,遗传毒理学(genetic toxicology),研究环境因素对机体遗传物质和遗传过程的作用, 阐明遗传毒性对机体健康的后果及其作用机制,为保护人体健康和生态平衡提供科学依据的一门毒理学分支学科。,基本概念,突变是一种遗传状态，是可以通过复制而遗传的DNA结构的永久性改变,化学物质,遗传物质,突 变 (mutation),遗传毒物(genotoxicant) 诱变剂(
2、mutagen)致突变物,能力遗传毒性(genetic toxicity /genotoxicity) 诱变性(mutagenicity) 致突变性,直接致突变物无需代谢活化 (direct-acting mutagen)间接致突变物需代谢活化 (indirect-acting mutagen),基本概念,过程致突变(mutagenesis),按发生方式,突变,自发突变(spontaneous mutation)诱发突变(induced mutation),频率 进程 后果 低 渐进 有益 高 突然 有害？,第二节 遗传毒性的类型,从遗传学角度分类 基因突变(gene mutation) 染色
3、体结构畸变(structural chromosome aberration) 染色体数目畸变(numerical chromosome aberration),从发生机制角度分类 以DNA为靶的损伤(包括基因突变和染色体结构畸变） 不以DNA为靶的损伤(主要指染色体数目畸变）,遗传毒性类型,基因突变 染色体结构畸 染色体数目畸变,指基因在结构上发生了碱基对组成和排列序列的改变,遗传毒性的类型,基因突变,基因突变的类型,(一) 根据基因结构的改变,(二) 根据对遗传信息的改变,(三) 根据突变效应方向分类,碱基置换(base substitution)：移码突变(frameshift muta
4、tion) 三核苷酸重复(triplet repeats)大段损伤(large fragment damge),遗传毒性的类型,基因突变的类型,(一) 根据基因结构的改变,碱基置换(base substitution) 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),遗传毒性的类型,基因突变,遗传毒性的类型,基因突变,移码突变(frameshift mutation) 基因编码区内缺失或增加的核苷酸数目不是3的倍数而改变遗传阅读框的突变。,后 果改变了产物的氨基酸组成，并可能使蛋白质合成过早
5、终止；若移码突变发生在必需碱基，则可能是致死的；若插入或缺失三个碱基, 阅读框架不变，其产物常常有活性 或 有部分活性整码突变,三核苷酸重复(triplet repeats) 又称三联体重复或三核苷酸扩展,即一特定的三联核苷酸被扩增，重复数目超过正常数目 目前已知有三联体重复的遗传病：强直性肌营养不良症、亨廷顿(Huntingtons)病、脆性X综合征等。,遗传毒性的类型,基因突变,大段损伤(large fragment damge)：亦称DNA重排指DNA序列上有较长的一段序列的重排分布,包括大段(一个碱基至数千个碱基)的插入、缺失、取代、复制、放大和倒位。这类损伤有时可波及两个基因甚至数个
6、基因。,遗传毒性的类型,基因突变,ABCDEFGHIJ,ABCDEKLFGHIJ,ABCDGHIJ,ABCKLMGHIJ,ABCDEFDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJ,ABCGFEDHIJ,正常插入缺失取代重复内重复放大倒位,基因突变,遗传毒性的类型,基因突变的类型,(二) 根据对遗传信息的改变,同义突变: 是指没有改变基因产物氨基酸序列的突 变，与密码子的兼并性有关,错义突变: 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸 序列的改变,无义突变 :是指某个碱基的改变使代表某个氨基酸 的密码子变为
7、蛋白质合成的终止密码子 导致多肽链在成熟之前终止合成,(三)根据突变效应方向分类,正向突变:是指改变了野生型性状的突变回复突变:是指突变体所失去的野生型性状可以通 过第二次突变恢复（原点恢复突变很少）,遗传毒性的类型,基因突变的类型,染色体结构畸变,遗传毒性的类型,由于染色体或染色单体断裂，造成缺失或引起各种重排，从而出现染色体结构的异常,染色体型畸变两条染色单体均涉及 （DNA复制前损伤）染色单体型畸变仅涉及一条染色单体（DNA复制后损伤）,断裂剂凡能引起染色体断裂的化学物质,染色体结构畸变,遗传毒性的类型,双着丝粒染色体和无着丝粒,无着丝粒环,三辐体,四辐体,核内复制,注：A、B、C、D代
8、表非同源染色体,染色体数目畸变,遗传毒性的类型,第三节 遗传毒性的形成机制,致突变机制模式,DNA损伤修复突变,遗传毒性的机制,一、DNA损伤(DNA damage) 在遗传毒物的作用下，DNA的结构和功能发生改变，DNA的复制与转录受到阻碍,遗传毒性的机制,碱基损伤 DNA链损伤,(一)碱基损伤1. 碱基错配,2.平面大分子嵌入DNA链,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:T G:C G:C A:T）, 2-AP（2-氨基嘌呤） 取代鸟嘌呤互变异构 碱基置换 错配 (A:T G:C),4. 碱基的化学修饰 碱基氧化脱氨-亚硝基引起,DN
9、A链上相邻的嘧啶共价相连，形成TT、TC、CC等嘧啶二聚体,(二)DNA链损伤,1.二聚体的形成,2.DNA加合物的形成 活性化学物与DNA、蛋白等细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物，通常很难用一般的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立体构象明显变化，阻断受损部位复制转录 或导致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，易导致碱基错配,DNA-DNA交联 代表物：亚硝酸、丝裂霉素C、氮和硫的芥子气、各种铂的衍生物等后 果： DNA分子上一条链的碱基与互补链上的相应碱基形成共价连接，致使复制时不能
10、解链，复制和转录终止,DNA链内、链间、DNA与蛋白质的交联 代表物：多功能烷化剂后 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，易导致死性突变,3.交联分子的形成,DNA损伤的常见类型,碱基类似物的取代链间嵌入DNA链断裂DNA碱基修饰碱基烷化和共价结合DNADNA交联DNA蛋白质交联 ,二、DNA修复,DNA损伤修复按其机制可分为:损伤修复机制（repair mechanisms）损伤耐受机制（tolerance mechanisms）,遗传毒性的机制,(一) 损伤的逆转直接修复,损伤修复机制(repair mechanisms),碱基切除修复(Base excision
11、repair, BER),(二) 切除修复,切除和替换损伤的DNA碱基受损碱基移除由DNA糖基化酶启动,由多个酶共同完成主要针对DNA单链断裂、小的碱基改变及氧化性损伤,核苷酸切除修复(Nucleotide excision repair, NER),最常见，是体内识别 DNA 损伤最多的修复通路在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，并以另一条完整的DNA链为模板，再填补切去的部分,（四）链断裂的修复,（五）交联修复,（六）跨损伤的DNA合成,（三）错配修复(mismatch repair,MMR),损伤耐受机制(tolerance mecha
12、nisms)-未清除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复制的损伤等可诱发SOS修复系统，即诱导细胞产生特殊的DNA聚合酶，以不严格的碱基配对使复制通过损伤部位通过SOS修复，细胞得以存活，但常导入错误的碱基，故为易错修复,常见的DNA损伤及其修复机制,错配修复,切除修复,直接修复,双链损伤,单链损伤,单个核苷酸的短补片添加,转录偶联性NER,多个核苷酸的长补片合成,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,三、整倍体和非整倍体的形成,对DNA合成和修复有关的酶系统的作用对纺锤体的毒作用
13、与微管蛋白二聚体结合 与微管上的巯基结合 破坏已组装的微管 妨碍中心粒移动,遗传毒性的机制,表观遗传突变(epimutation) 与突变,环境因素可以通过基因组的可遗传的变异导致有害的表型改变。然而, 突变并不是基因组可遗传变异的唯一机制。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，导致功能基因表达改变，引起表型的改变。,遗传毒物的作用机制,致突变机制模式,DNA损伤修复突变,第四节 遗传毒性的后果,遗传毒物,遗传毒性的后果,遗传负荷(genetic load):一个群体由于有害等位基因存在而使适应度下降的现象。以人群中平均每个个体携带的有害基因的数量来表示 。,第
14、五节 遗传毒性的检测方法,检测基因突变 检测染色体畸变 检测DNA损伤,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,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,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,检测DNA损伤,DNA链断裂程序外DNA合成(UDS)DNA加合物的检测DNA修复的检测姐妹染色单体交换（SCE） 单细胞凝胶电泳,第六节 遗传毒性的评价,根据不同的测试对象和目的选择试验组合,遗传试验组合的原则,试验组应能检测多个遗传学终点指示生物应包括几个进化阶段，至少要
15、包括原核细胞与真核细胞两个系统应包括体细胞和生殖细胞突变试验应包括体内试验与体外试验体外试验应包括加与不加代谢活化系统,一些国家新药遗传毒性评价的项目,判断化合物是否有致突变性的标准,阳性：在检出任一遗传学终点的生物学试验中 呈现阳性反应的物质阴性：需检测五种遗传学终点的一系列试验中 均为阴性 DNA完整性改变 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 确定对人具有致突变性还需做流行病学调查,致突变物的分类标准,参考资料,Mutation Research Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis,Mutation Research Reviews in Mutation Research,Mutation Research Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis,DNA Repair,谢 谢！,
