第七章-外源化学物致突变作用

第七章外源化学物致突变作用第一节概述一、基本概念遗传(inheritance)：生物物种在漫长的自然选择和生物进化过程中，以相对稳定的生命形式存在于自然界中，并能持续不断的繁衍后代，这个过程就是遗传。遗传是保持其种族特性的根本。这种长期保存遗传性状相对稳定的能力，与遗传物质DNA的特殊结构及其精确的复制与修复方式密不可分。一、基本概念变异(variation)：遗传的稳定是相对的一方面生物的遗传物质在自我复制过程中可能发生改变；另一方面生物个体发育在受到复杂的内外环境条件影响下，性状的发育可能有所不同。于是在亲子之间或子代个体之间出现不同程度的差异，这种差异称为变异。变异是生物物种推陈出新的来源。从现代基因论的观点出发，只有起源于基因和染色体的变异才能遗传。突变(mutation)：生物体遗传物质发生的突然的、根本的、可遗传的变化。因为这种变化起源于基因和染色体，所以突变实际上是遗传物质的一种可遗传的变异。一、基本概念致突变作用(mutagenesis)：外源因素特别是化学因子引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，而且这种改变可随同细胞分裂过程而传递。简单的说，突变的发生及其过程即为致突变作用；突变(mutation)是致突变作用的后果。致突变物(mutagen)：指能够引起突变的物质，又称诱变剂。一、基本概念致突变性“＜”遗传毒性致突变性（mutagenicity）：指引起遗传物质发生突变的能力，是精确的概念，在一个实验群体中突变率可定量检测。遗传毒性（genetictoxicity）：指对基因组的损害能力，包括对基因组的毒作用引起的致突变性以及其他各种不同效应。遗传毒性的概念广泛，包括致突变性，其效应可能转变固定为突变，也可能被修复。遗传毒理学(genetictoxicology)：主要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损伤效应。遗传毒理学主要研究内容：致突变作用及机制；应用检测系统发现和探究致突变物；提出评价致突变物健康危害的方法。一、基本概念二、遗传学基础1.DNA与基因DNA：由脱氧核糖、磷酸及碱基组成，其基本成分为四种核苷酸，形成双螺旋结构，具有精确复制和高度保真特性，储存了所有的遗传信息。基因(gene)：是DNA分子中最小的完整功能单位。基本作用是决定蛋白质的一级结构，即每个基因决定一条多肽链或一种酶。基因是生物遗传信息的携带者。基因组(genome)：生物体的一套完整单体的遗传物质。二、遗传学基础2.染色质与染色体在分裂间期细胞核中，光镜下可见一种能被碱性染料着色的物质，即染色质(chromatin)。染色质由DNA、蛋白、及少量的RNA组成，形似串珠状的复合体。在间期细胞核中，一般没有染色体结构，只有在细胞分裂时，染色质才螺旋化并折叠成染色体(chromosome)，故染色质与染色体的物质组成是相同的。将体细胞的全部染色体按大小形态等方式排列起来即构成细胞的核型。每一个生物种属的核型是固定的。二、遗传学基础3.体细胞和生殖细胞体细胞(somaticcell)：多数是二倍体(diploid)细胞，含有两组完全相同的染色体，其遗传损伤不会传递给下一代。生殖细胞(gemcell)：往往是单倍体，其染色体改变可以传给下一代。显性突变无论纯合子还是杂合子，均出现表型异常。隐性突变如为纯合子，将出现表型异常，如为杂合子，则为表型正常的携带者。二、遗传学基础4.基因型与表型基因型：指控制生物性状的基因组成，是生物体遗传性状发育的内因，是表型形成的根据。表型：指在发育过程中由基因所控制的生物性状的具体表现。表型是不同基因之间以及基因与环境之间复杂的相互作用的结果。也就是说基因型决定表型可能发育的范围，会产生怎样的表型取决于生长发育所处的环境。环境因素对遗传所起的作用必须通过基因型才能实现，外界环境是基因型转变成具体表型的必要条件。二、遗传学基础5.细胞周期、有丝分裂与减数分裂细胞周期：指细胞一次分裂结束后开始生长，到下一次分裂终末所经历的过程。细胞周期分为四个时期：G1期是细胞进行急剧合成的时期S期完成DNA复制G2期为有丝分裂做准备M期是有丝分裂期有丝分裂(mitosis)：指细胞核分裂的过程，一个细胞由此生成两个子细胞，每个子细胞具有与亲代细胞完全相同的染色体。有丝分裂中期染色体进一步浓缩成典型的形态，且分散排列在赤道面上，中期很适合做染色体的形态和结构方面的研究。减数分裂(meiosis)：是一种特殊的有丝分裂，通过两个细胞周期，细胞核分裂两次，而染色体只复制一次，使染色体数目减少一半，成为单倍体。二、遗传学基础Thecourseofmitosis第二节化学物致突变的类型突变的分类自发突变(spontaneousmutation)是由于普遍存在的未知因素作用下，在自然条件下发生的突变。特点：自发突变的发生过程长，频率极低,与物种的进化有关。诱发突变(inducedmutation)是指人为的造成突变。它已被农、林、牧、渔业和园艺学家利用来培育和选择新种或良种。特点：发生过程短，频率高，既可被人类利用，也可能对人类产生危害。突变的分类基因突变(genemutation)：一个或几个DNA碱基对的改变。用光学显微镜观察不到，必须通过生长发育、生化、形态等表型改变来判断。染色体畸变(chromosomeaberration)：染色体的结构及数目改变，可用光学显微镜进行观察。染色体结构改变染色体数目改变一、基因突变基因突变：指基因中DNA序列的变化。因为基因突变限制在一个特定的部位，故称为点突变(pointmutation)。突变基因：存在突变的基因野生型基因：没有发生突变的基因基因突变可分为两种类型：碱基置换(basesubstitution)移码突变(frameshiftmutation)一、基因突变1.碱基置换(basesubstitution)某一碱基配对性能改变或脱落所致的突变。当DNA链上某一碱基由于致突变物作用而脱落或其配对性能发生改变，在DNA复制过程中该DNA互补链上的相应位点配上一个错误的碱基，即错误配对(mispairing)。这一错误配对的碱基在下一次DNA复制时，按正常规律配对，于是原来的碱基对被错误碱基对所置换，称碱基置换。AACTGGCTTGACCGAACTGGCTTGATCGTTGACCGAACTGGCAACTGGCTTGACCGTTGATCGAACTAGCAACTGGCTTGACCGTTGACCGAACTGGCParentalDNADNAreplicationFirstgenerationprogeny3'5'5'3'SecondgenerationprogenyWildtypeMUTANTWildtypeWildtypeDNAreplicationMismatch(about1/1000baseadditions)碱基置换的分类转换(transition)：指原来的嘌呤被另一个嘌呤所取代或原来的嘧啶被另一个嘧啶所取代。颠换(transvertion)：指原来的嘌呤被另一个嘧啶所取代或原来的嘧啶被另一个嘌呤所取代。碱基置换的后果①同义突变：一个氨基酸可有2－6种密码子，当密码子的一个碱基被另一个碱基所取代时，密码子的意义恰恰没有改变，即同义突变。丝氨酸的密码子是UCU、UCC、UCA、CCG、AUG、AGC共有6种，由于碱基取代，使mRNA上的UCG转换成UCU、UCC、UCA，仍是其密码子。②错义突变：密码子中某一碱基为另一碱基取代后，密码子的意义改变，成为另一种氨基酸的密码子。如AGU（丝氨酸）变成了GGU（甘氨酸），则mRNA指导合成的肽链中的丝氨酸变成了甘氨酸。致死突变：发生在必需基团上，严重影响蛋白质功能。渗漏突变：突变的产物仍有部分活性，表现型介于突变型与野生型之间。中性突变：突变不影响或基本不影响蛋白质的功能，性状改变不明显。③无义突变：碱基取代的结果是使mRNA上的密码子转变成为终止密码UAA、UAG、UGA时，出现翻译过程停止，肽链延长提前结束。链终止突变：指无义突变使肽链过早终止。④终止密码突变：碱基取代的结果是使mRNA的终止密码转变成某种氨基酸的密码，则合成的肽链将延长到出现下一个终止密码才结束。延长突变：指如果终止密码子因突变而为氨基酸编码，结果产生过长的肽链的现象。2.移码突变(frameshiftmutation)发生一对或几对（3对除外）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。由于碱基序列所形成的一系列三联体密码子相互间并无标点符号，于是从受损位点开始密码子的阅读框架完全改变。如果减少或增加的碱基对刚好是3对，则基因产物的肽链中仅减少或增加一个氨基酸，其后果与碱基置换相似，故不包括在移码突变范畴。一、基因突变移码突变的结果错义突变：从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的氨基酸序列完全改变。无义突变：使读码框架改变其中某一点，形成无义密码（UAA，UAG及UGA），不代表任何氨基酸，产生一个无功能的肽链片段。移码突变较易成为致死性突变。二、染色体结构畸变染色体结构畸变(chromosomeaberration)：指染色体的结构改变，它是指遗传物质大的改变，一般可在细胞有丝分裂中期通过光学显微镜检查发现。染色单体型畸变(chromatid-typeaberration)：畸变涉及复制染色体中两条染色单体中的一条，损伤发生在DNA复制后；染色体型畸变(chromosome-typeaberration)：畸变涉及复制染色体中两条染色单体，损伤发生在DNA复制前。染色体结构异常是染色体或染色单体断裂所致。当断端不发生重接或虽重接而不在原处，即可出现染色体结构异常。染色体结构异常的类型①缺失(deletion)：染色体上丢失了一个片段。②重复(duplication)：在一套染色体里，一个染色体片段出现不止一次。③倒位(inversion)：一个染色体片段被颠倒了，如颠倒的片段包括着丝点，称为臂间倒位(pericentdcimer-Sion)；如不包括着丝点则称为臂内倒位(paracentricinversion)。④易位(translocation)：一个染色体片段的位置发生改变。最常见的是相互易位(recipromo），涉及两个非同源染色体片段的交换。染色体畸变裂隙(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)辐射体三、染色体数目改变非整倍体(aneuploidy)和多倍体(polyploidy)细胞的染色体数目不同于正常细胞染色体数目，称为基因组突变，即基因组中染色体数目改变。非整倍体：指增加或减少一条或几条染色体；多倍体：指染色体数目成倍增加。第三节化学物致突变作用的机制及后果一、引起突变的DNA变化碱基损伤碱基错配平面大分子嵌入DNA链碱基类似物取代碱基的化学结构改变或破坏DNA链受损二聚体的形成DNA加合物形成DNA-蛋白质交联物（一）碱基损伤1.碱基错配指烷化剂提供甲基或乙基等烷基与DNA共价结合，所引起的甲基损伤表现为错配。一般情况下，发生频率：甲基化乙基化高碳烷基化目前认为最常受到烷化的是：鸟嘌呤的N-7位，O-6位腺嘌呤的N-1，N-7位烷化的碱基既可表现出像正常碱基一样的配对特性，也可有不同的配对特性，主要取决于烷化的位置。通常在鸟嘌呤7位氮(N-7)上的烷化有正常配对特性，而在鸟嘌呤6位氧(O-6)上的烷化易错配，引起G:C-A:T转换。烷化剂不但可引起碱基错配，还可引起DNA二级结构改变。某些烷基(如鸟嘌呤