环境化学物的特殊毒性及其评价其它版

第五章环境化学物的特殊毒性及其评价【目的要求】掌握外源化学物的致突变作用熟悉致突变作用评价方法了解致突变作用的遗传学基础掌握致癌作用概念及其机制熟悉致癌化学物分类熟悉致癌作用评价方法掌握发育毒性与致畸作用基本概念掌握发育毒性与致畸作用的特点和作用机制熟悉发育毒性与致畸作用试验与评价方法【内容】基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作用、致突变物致突变的类型：基因突变、染色体结构异常、染色体数目异常化学致癌机制、化学致癌物分类、观察致癌作用的基本方法发育毒性与致畸作用基本概念、致畸作用机制、发育毒性和致畸作用常用评价方法：第一节致突变作用【内容】➢基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作用、致突变物➢致突变的类型：基因突变、染色体结构异常、染色体数目异常➢致突变作用机制➢突变的后果：生殖细胞突变，体细胞突变➢致突变试验一、基本概念➢突变（mutation)：是指遗传结构本身的变化及其引起的变异即生物体的遗传物质发生了突然的、根本的、遗传的变化，因为这种变化起源于基因和染色体，因此，是可遗传的变异1901年DeVries首次提出突变这一术语1909年摩乐根发现在红眼果蝇中有白眼果蝇1904年DeVries发现X射线可以改变生殖细胞的遗传物质1927年Muller用X射线照射发现可以引起基因突变1943年Averbach&Robson发现芥子气可诱发基因和染色体畸变1951年用X射线可诱发小鼠突变1966年Russed证明化学物也可诱发小鼠突变1969年Guttanach主持成立国际环境诱变剂学会根据突变发生的原因，可以将突变分为：1、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。(特点是发生过程长、频率很低，与物种进化有关)2、诱发突变(inducedmutation)：是指人为地造成突变。(特点是发生过程短、频率高，既可被人类利用，也可能对人类产生危害)遗传毒理学(genetictoxicology)：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效应的科学。致突变作用（mutagenesis)：是指外来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，而且此种改变可随同细胞分裂过程而传递。致突变物(mutagen)：凡能引起生物体遗传物质发生改变的化学物质或任何环境因子，又称诱变剂。遗传毒物（genotoxicagent)：由于致突变物能损伤遗传物质，因此致突变物又称为遗传毒物。直接致突变物（direct-actingmutagen)：具有很高的化学活性，其原型就可引起生物体突变的物质。间接致突变物（indirect-actingmutagen)：本身不能引起突变，必须在体内经过代谢活化，才具有致突变性的物质。二、遗传损伤类型突变的基础是遗传物质DNA的改变，根据DNA改变牵涉范围的大小，可将遗传物质的突变或者叫遗传物质的损伤分为三大类：基因突变染色体结构改变染色体数目改变从机理角度认为：基因突变和染色体畸变是对DNA为靶的损伤，染色体数目异常是以有丝分裂或减数分裂器为靶的损伤。1、基因突变（geneticmutation)：是指基因在结构上发生了碱基对组成和排列序列的改变。可分为碱基置换、移码突变、整码突变和片断突变等基本类型碱基置换（basesubsititution)：是指DNA序列上的某个碱基被其它碱基所取代。转换(transition)：即嘌呤与嘌呤，嘧啶与嘧啶之间的置换；颠换（transversion):即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的置换。ATCGGCGTGACGATCATATAT转换与置换的后果取决于碱基置换是否在蛋白质合成过程中引起编码氨基酸的错误。➢同义突变(missensemutation)：指没有改变基因产物氨基酸序列的改变➢错义突变（synonymousmutation)：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(nonsensemutation)：指某个碱基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为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的改变终止密码突变❖链终止突变：指无义突变使肽链过早终止❖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错义突变：致死突变：发生在必需基因上，严重影响蛋白质功能的错义突变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移码突变（frameshiftmutation)：指发生一对或几对不等于3的倍数的碱基减少或增加，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整码突变(Codonmutation)又称为密码子的插入或缺失,指在DNA链中增加或减少的碱基对为一个或几个密码子,此时基因产物多肽链中会增加或减少一个或多个氨基酸,而此部位之后的氨基酸序列无改变.片断突变:指基因中某些小片段核苷酸序列发生改变,这种改变有时可跨越两个或多个基因,主要包括核苷酸片段的缺失、重复、重组及重排等.2、染色体突变（structuralchromosomeaberration)：是指由于染色体或染色单体断裂，造成染色体或染色单体缺失或引起各种重排，从而出现染色体结构异常。❑断裂剂：凡能引起染色体断裂的物质❑断裂作用：染色体断裂的发生或过程染色体突变又可分为➢染色体突变（chromosome-typeaberrations)：指染色体中两条染色单体同一位点受损后所产生的结构异常➢染色单体突变（chromatid-typeaberrations)：指畸变涉及复制染色体中两条染色单体中的一条染色体突变类型：(1)裂隙和断裂：都是指染色体上狭窄的非染色带，过去以带宽超过染色单体宽度为断裂，不超过者为裂隙；(2)无着丝粒断片和缺失：一个染色体发生一次或多次断裂而不重接，并且这些已断裂的节段远远分开，就会出现一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，后者称为带着丝粒断片常将无着丝粒断片简称为断片，在下一次细胞分裂时断片因无着丝粒，故不能进入分裂的核中而滞留在细胞质中，称为微核。如断片很小，小于染色单体宽度，则称为微小体(3)环状染色体：染色体两臂各发生一次断裂，其带有着丝粒的节段的两断端连接形成一个环时，称为环状染色体(4)倒位：当某一染色体发生两次断裂后，其中间节段倒转180度再重接，称为倒位(5)插入和重复：当一个染色体发生三处断裂，带有两断端的断片插入到另一臂的断裂处或另一染色体的断裂处重接起来，称为插入(6)易位：从某个染色体断下的节段接到另一染色体上称为易位3、基因组突变(genomicmutation)指基因组中染色体数目异常。每一种属机体细胞中染色体数目是一致的，而且正常体细胞染色体数目都是成双成对的，一对是单倍体，两对是二倍体，多对是多倍体染色体数目异常可能表现为整倍性畸变和非整倍性畸变整倍性畸变可能出现单倍体、三倍体或四倍体。超过二倍体的整倍性畸变也统称为多倍体。非整倍性畸变系指比二倍体多或少一条或多条染色体缺体是指缺少一对同源染色体，单体或三体系指某一对同源染色体相应地少或多一个，四体则指其比同源染色体多一对；于是在染色体数目上相应为2n-2、2n-1，2n+1和2n+2三、致突变作用机理外源化合物引起基因突变和染色体突变的靶主要是DNA，而导致非整倍体及整倍体的靶主要是有丝分裂或减数分裂器1、DNA损伤与突变：(1)碱基损伤碱基错配➢烷化剂(alkylatingagent):是指对DNA、蛋白质具有强烈烷化作用的物质.一般情况下甲基化＞乙基化＞高碳烷基化烷化剂又称“烃化剂”，一类化学性质很活泼的化合物。分子中具有活泼的烷化基团，能与细胞中DNA或蛋白质分子的氨基、巯基、羟基、羧基和磷酸基等起作用，以其本身的烷基取代这些基团的氢原子而起烷化反应。双功能的氯乙胺基，在体内能将氯解离出来，形成游离基或羟基环化形成具有高度活性的乙撑亚胺离子，并与DNA两条互补链上的每个鸟嘌呤的7位氮相结合；或使复制的核碱配对错码；或引起脱嘌呤作用；或形成交叉联结；或使DNA断裂，造成DNA结构和功能损害，重者可致细胞死亡。目前认为最常受到烷化的是➢鸟嘌呤的N－7位，其次是O－6位➢腺嘌呤的N－1、N－3和N－7也易烷化➢AP位点（apurinicorapyrimidinicsite)：是指丢失碱基的DNA留下了一个无嘌呤或无嘧啶的位点(2)平面大分子嵌入DNA链:嵌入剂（intercalatingagent)：指能以静电吸附形式嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间的物质。➢如丫啶类染料分子多数是多环的平面结构，特别是三环结构，其长度为6.8~102nm，恰好是DNA单链相邻碱基距离的两倍➢通常引起移码突变(3)碱基类似物取代:有些化学物的结构与碱基非常相似，称碱基类似物它们能在S期中可与天然碱基竞争，并取代其位置例如5－溴脱氧尿嘧啶核苷能取代胸腺嘧啶；2－氨基嘌呤(2-AP）能取代鸟嘌呤(4)碱基的化学结构的改变或破坏:化学物可对碱基产生氧化作用，从而破坏或改变碱基的结构，基于引起链断裂有些化学物质可在体内形成有机过氧化物或自由基，如甲醛、氨基甲酸乙酯和乙氧咖啡碱等，可间接使嘌呤的化学结构破坏，容易出现DNA链断裂2、非整倍体及整倍体的诱发➢一些化学物能作用于纺锤体，中心粒或其他核内细胞器，从而干扰有丝分裂过程，造成细胞分裂异常，染色体数目增加或减少，诱发非整倍体或整倍体➢诱发这种作用的物质称为分裂毒物，又称干扰剂3、DNA损伤的修复与突变并不是所有的DNA损伤都表现为突变，在生命进化过程中，生物体具有了应对各种DNA损伤的修复及耐受机制。DNA受损后，机体利用自身的修复系统进行修复，不能被修复的损伤可能被固定下来并传递给后代，才会引起突变。这个过程中需要有一系列的修复酶参加。(1)光复活（photoreactivation)：修复紫外线损伤产生的胸腺嘧啶二取聚体，广泛存在原核和真核生物体内(2)“适应性”反应：主要是O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT)修复鸟嘌呤O6位的烷基化损伤(3)切除修复识别：糖基化酶识别异常的碱基，随后使异常嘌呤的N-9位或异常嘧啶的N-3位与脱氧核糖之间的键发生水解，形成无嘌呤或嘧啶的位点（apurinic-apyrimidinicsite,AP位点）插入酶将正确碱基插入AP位点DNA聚合酶合成DNA片段，填补空缺DNA连接酶将新合成的片段接上(4)呼救性修复（SOS修复）:诱导性修复修复过程有明显的错误SOS系统为多基因控制易错修复（error-pronerepair)：是指突变作为修复的结果或作为损伤旁路发生的DNA修复➢光复活、适应性修复和切除修复倾向于无误修复➢SOS修复就是易错修复DNA损伤修复的一般特点:DNA损伤不仅可因外源性因素所致，也可因内源性因素所致不同类型DNA损伤通过不同的DNA修复途径修复不同类型DNA损伤修复速度是不同的DNA损伤修复机制有些是基本的，有些是可诱导的DNA损伤修复功能存在物种和个体差异四、突变的后果突变的后果取决于化学毒物所作用的靶细胞➢体细胞：其影响仅能在直接接触该物质的个体身体上表现出来，不可能遗传到下一代➢生殖细胞：其影响有可能遗传到下一代五、致突变作用的评价致突变试验的目的:（1）检测外源化学物的致突变性，预测其对哺乳动物和人的致癌性（2）检测外源化学物对哺乳动物生殖细胞的遗传毒性，预测其对人类的遗传危险性1、观察项目的选择(1)观察效应终点的类型：DNA碱基序列改变（基因突变）染色体完整性改变（染色体畸变）染色体分离改变（非整倍体和多