第六章-化學(xué)毒物致突變作用

第六章化學(xué)毒物致突變作用MutagenesisofToxicants概述

一、基本概念在親子之間或子代個(gè)體之間出現(xiàn)不同程度的差異，這種差異稱為變異(variation)。遺傳結(jié)構(gòu)本身的變化及引起的變異稱為突變(mutation)。突變可分為自發(fā)突變(spontaneousmutation)和誘發(fā)突變(inducedmutation)。

致突變作用(mutagenesis)的廣義概念是外來(lái)因素，特別是化學(xué)因子引起細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)發(fā)生改變的能力，而且此種改變可隨同細(xì)胞分裂過(guò)程而傳遞。突變是致突變作用的后果，簡(jiǎn)單地說(shuō)，突變的發(fā)生及其過(guò)程即為致突變作用。能夠引起突變的物質(zhì)稱為致突變物(mutagen)。二、遺傳物質(zhì)細(xì)胞周期指細(xì)胞一次分裂結(jié)束，并開(kāi)始生長(zhǎng)，到下一次分裂終了所經(jīng)歷的過(guò)程。

減數(shù)分裂(meiosis)指通過(guò)兩個(gè)細(xì)胞周期使染色體數(shù)目減少一半的細(xì)胞分裂方式。它是一種特殊的有絲分裂?；蛲蛔?/p>

以DNA為靶的損傷遺傳學(xué)損傷染色體畸變

不以DNA為靶的損傷第一節(jié)化學(xué)毒物致突變的類型

一、基因突變

基因突變指基因中DNA序列發(fā)生的可遺傳改變。因基因突變限制在一特定的部位，故稱為點(diǎn)突變(pointmutation)。傳統(tǒng)的研究突變方法是通過(guò)給予致突變物，觀察遺傳學(xué)改變。

基因突變可分為兩種類型，即堿基置換和移碼突變。

1.堿基置換：堿基置換(basesubstitution)指某一個(gè)堿基配對(duì)性

能改變或脫落所致的突變。導(dǎo)致在DNA復(fù)制過(guò)程中該DNA互補(bǔ)鏈上的相應(yīng)位點(diǎn)配上一個(gè)錯(cuò)誤的堿基，即錯(cuò)誤配對(duì)(mispairing)。這一錯(cuò)誤配對(duì)上的堿基在下一次DNA復(fù)制時(shí)，按正常規(guī)律配對(duì)，于是原來(lái)的堿基對(duì)被錯(cuò)誤堿基對(duì)所置換，稱堿基置換。

在堿基置換中，DNA的一對(duì)堿基(如G:C)被另一對(duì)堿基(如A:T)所取代，如果是嘌呤置換另一嘌呤，或者是嘧啶置換另一嘧啶，稱為轉(zhuǎn)換(transition)，如果是嘧啶換成嘌呤，或者嘌呤換成嘧啶，稱為顛換(transversion)。

2.移碼突變：

移碼突變(frameshiftmutation)指發(fā)生一對(duì)或幾對(duì)(3對(duì)除外)的堿基減少或增加，以致從受損點(diǎn)開(kāi)始?jí)A基序列完全改變，形成錯(cuò)誤的密碼，并轉(zhuǎn)譯成為不正常的氨基酸3.大段損傷

DNA鏈大段缺失或插入

介于基因突變和染色體畸變之間常見(jiàn)于基因工程中的基因重組第一節(jié)

二、染色體畸變

染色體畸變(chromosomeaberration)指染色體的結(jié)構(gòu)改變，細(xì)胞學(xué)檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)染色體斷裂及由斷裂所致的各種重排。斷裂劑畸變涉及在復(fù)制染色體中兩條染色單體中的一條，稱為染色單體型畸變(chromatid-typeaberration)，而涉及兩條染色單體，稱為染色體型畸變(chromosome-typeaberration)。例如，電離輻射在DNA復(fù)制前處理，可誘導(dǎo)染色體型畸變，如在DNA復(fù)制后，誘導(dǎo)染色單體型畸變。產(chǎn)生何種畸變，取決于損傷發(fā)生在DNA復(fù)制前，還是復(fù)制后。當(dāng)然，任何情況下見(jiàn)到的染色單體型畸變都將在下一次細(xì)胞分裂時(shí)衍生為染色體型畸變。

染色體結(jié)構(gòu)異常的類型：(1)缺失(deletion)：染色體上丟失了一個(gè)片段。(2)重復(fù)(duplication)：在一套染色體里，一個(gè)染色體片段出現(xiàn)不止一次。(3)倒位(inversion)：一個(gè)染色體片段被顛倒了，如顛倒的片段包括著絲點(diǎn)，稱為臂間倒位(pericentricinversion)；如不包括著絲點(diǎn)則稱為臂內(nèi)倒位(paracentricinversion)。

英國(guó)醫(yī)生LangdonDown首先描述了先天愚型的臨床表現(xiàn)，因此將此病稱為Down綜合征，即唐氏綜合征。在我國(guó)，先天愚型一詞較為常用。1959年，法國(guó)細(xì)胞遺傳學(xué)家Lcjeune證實(shí)此病的病因是患者多了一個(gè)小的G組染色體(后來(lái)確定為21號(hào)染色體)。故此病又稱為21三體綜合征(trisomg21)。據(jù)估計(jì)我國(guó)目前大約有60萬(wàn)以上的21三體綜合征患兒，按目前的出生率我國(guó)平均20分鐘就有一例21三體綜合征患兒出生，全國(guó)每年出生的唐氏綜合征患兒將達(dá)27000例左右。

47,XY,+21單純?nèi)w，男性。Down綜合征第二節(jié)化學(xué)毒物致突變作用的機(jī)制及后果第一部分致突變作用的機(jī)制第二部分致突變作用的后果

第一部分致突變作用的機(jī)制一、引起突變的DNA變化二、引起突變的細(xì)胞分裂過(guò)程的改變?nèi)?、其它的改變一、引起突變的DNA變化（一）堿基損傷

（包括堿基錯(cuò)配、平面大分子嵌入DNA鏈、堿基類似物取代和致突變物改變或破壞堿基化學(xué)結(jié)構(gòu)）

(二)DNA鏈?zhǔn)軗p

1.二聚體的形成

2.DNA加合物形成3.DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物9-氨基吖啶3.堿基類似物取代有些化學(xué)物的結(jié)構(gòu)與堿基非常相似，稱堿基類似物。它們能在S期中可與天然堿基競(jìng)爭(zhēng)，并取代其位置。例如5-溴脫氧尿嘧啶核苷能取代胸腺嘧啶，2-氨基嘌呤(2-AP)能取代鳥嘌呤。

4.致突變物改變或破壞堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)有些化學(xué)物可對(duì)堿基產(chǎn)生氧化作用，從而破壞或改變堿基的結(jié)構(gòu)，有時(shí)還引起鏈斷裂。例如，羥胺能使胞嘧啶C-6位的氨基變成羥氨基。這些改變都會(huì)造成轉(zhuǎn)換型堿基置換。

(二)DNA鏈?zhǔn)軗p

1.二聚體的形成當(dāng)細(xì)胞或機(jī)體受到紫外線刺激，會(huì)使DNA發(fā)生化學(xué)變化，其主要產(chǎn)生環(huán)丁烷嘧啶二聚體和(4-6)光產(chǎn)物。這些損傷可阻止DNA的復(fù)制，并引起細(xì)胞的死亡。

2.DNA加合物形成它是活性化學(xué)物與細(xì)胞大分子之間通過(guò)共價(jià)鍵形成的穩(wěn)定復(fù)合物，通常很難用一般的化學(xué)或生物學(xué)方法使其解離。例如，烷化的DNA加合物，O6-甲基脫氧鳥苷，可引起堿基置換。

3.DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物(DNA-proteincroxslinks，DPC)形成它是致突變物對(duì)生物大分子物質(zhì)的一種重要的遺傳損害，也是一種穩(wěn)定的共價(jià)結(jié)合物。已知許多外來(lái)化合物如苯并(a)芘、砷化合物、醛類化合物(如甲醛)及一些重金屬(如鎳、鉻)等，均可引起DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物。DPC一旦形成，必將對(duì)DNA構(gòu)象與功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。第一部分致突變作用的機(jī)制

二、引起突變的細(xì)胞分裂過(guò)程的改變

非整倍體和多倍體的產(chǎn)生不同于其他致突變作用，因?yàn)樗鼈兩婕安煌募?xì)胞靶分子。非整倍體和多倍體是由于染色體分離異常而產(chǎn)生。主要涉及細(xì)胞分裂過(guò)程的改變?nèi)缂忓N體、微管蛋白的合成與聚合，微管結(jié)合蛋白合成與功能發(fā)揮，細(xì)胞分裂紡錘纖維的功能發(fā)揮，著絲粒與之有關(guān)的蛋白質(zhì)作用，極體復(fù)制與分離，減數(shù)分裂時(shí)同源染色體聯(lián)合配對(duì)和重組等。

三、其它的改變

對(duì)DNA合成和修復(fù)有關(guān)的酶系統(tǒng)作用可間接導(dǎo)致DNA損傷，誘發(fā)基因突變或染色體畸變。

1.DNA的高保真復(fù)制需多種酶類的參與，并且在基因調(diào)控下進(jìn)行，其過(guò)程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)損傷，將影響DNA復(fù)制的高保真性，有可能引起突變。

2.修復(fù)：DNA修復(fù)過(guò)程是清除受損傷的DNA片段，并合成新的片段來(lái)替換的過(guò)程。DNA是生命物質(zhì)中唯一具有自身修復(fù)能力的分子，其修復(fù)過(guò)程是依賴各種各樣的酶來(lái)進(jìn)行。例如，光修復(fù)的光裂合酶，切割修復(fù)的DNA糖基酶和切除核酸酶。它們有可能成為化學(xué)毒物的靶分子。

突變的后果，取決于化學(xué)毒物所作用的靶細(xì)胞，是生殖細(xì)胞，還是體細(xì)胞。如是體細(xì)胞，其影響僅能在直接接觸該物質(zhì)的個(gè)體身上表現(xiàn)出來(lái)，而不可能遺傳到下一代；如是生殖細(xì)胞，其影響才有可能遺傳到下一代。第二部分致突變作用的后果致突變作用的后果(一)生殖細(xì)胞突變(二)體細(xì)胞突變

(一)生殖細(xì)胞突變

基因突變對(duì)于健康的意義在于與許多按孟德?tīng)柖蛇z傳的疾病有關(guān)。例如，在新生兒遺傳病中，約有1.3％為常染色體顯性遺傳，0.25％為常染色體隱性遺傳及0.05％與性染色體有關(guān)。

許多遺傳病是由隱性突變表達(dá)所致，如苯丙酮尿癥(phenylketonuria)，它由上一代遺傳，當(dāng)父母均有基因突變時(shí)，該病即可表現(xiàn)出來(lái)。如只有一方的基因突變，后代即是表型正常的攜帶者。

在遺傳性疾病中，還有一個(gè)原因是染色體異常。大約每1000名嬰兒中有4名患有與染色體畸形有關(guān)的綜合征。染色體異常估計(jì)在受檢的雙親中有5％，在死亡的嬰兒有6％，在自然流產(chǎn)和死亡胚胎占30％。引起遺傳病染色體異常的類型中，非整倍體最常見(jiàn)，多倍體次之，結(jié)構(gòu)異常約占5％。

突變除引起遺傳病外，還可造成生殖毒性，表現(xiàn)為胚胎死亡、畸胎、胚胎功能不全及生長(zhǎng)遲緩。生殖毒性可由親代生殖細(xì)胞突變所致，也可由胚胎細(xì)胞突變所致。

(二)體細(xì)胞突變

體細(xì)胞突變后果有腫瘤、衰老、動(dòng)脈粥樣硬化及致畸等，最受注意的是腫瘤。

突變與癌發(fā)生過(guò)程中，中心作用的重要證據(jù)是來(lái)自于癌基因和抑癌基因的分子生物學(xué)研究。癌基因指可刺激正常細(xì)胞向癌細(xì)胞轉(zhuǎn)向的基因，它源于原癌基因。癌的發(fā)生是因?yàn)檎＜?xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育發(fā)生了遺傳學(xué)改變，正常細(xì)胞增殖調(diào)節(jié)需要在促

進(jìn)生長(zhǎng)因子與限制生長(zhǎng)因子之間達(dá)到平衡，當(dāng)原癌基因突變后，可刺激生長(zhǎng)的基因過(guò)度表達(dá)，而抑癌基因的突變，可導(dǎo)致細(xì)胞增殖失去抑制作用。

抑癌基因(或稱為腫瘤抑制基因、抗癌基因，antioncogene)的突變失活或缺失在許多腫瘤發(fā)生過(guò)程中起著重要作用。與癌基因不同，抗癌基因是隱性遺傳，即為雜合子時(shí)，它不能表達(dá)。

在許多人類的腫瘤中，可發(fā)現(xiàn)17號(hào)染色體上，稱之為p53抑癌基因的突變。通過(guò)深入研究，認(rèn)為人類腫瘤與p53基因接觸致突變物有一定關(guān)系。常見(jiàn)的基因突變導(dǎo)致的疾病貓叫綜合征易得急性白血病第四節(jié)機(jī)體對(duì)致突變作用的影響

機(jī)體修復(fù)DNA損傷的機(jī)制可分為兩大類：損傷耐受機(jī)制和修復(fù)機(jī)制。損傷耐受指DNA遺傳可繞過(guò)那些阻止DNA復(fù)制的DNA損傷。例如，細(xì)菌的重組修復(fù)，其復(fù)制機(jī)制是繞過(guò)一不能配對(duì)的嘧啶三聚體或者較大的化學(xué)加合物，在受損對(duì)應(yīng)的新DNA鏈上留下一間隙，然后，通過(guò)重組過(guò)程，將來(lái)自母本鏈的DNA片段填上間隙。DNA修復(fù)機(jī)制可分為直接修復(fù)和切除修復(fù)。

直接修復(fù)指引起DNA損傷的反應(yīng)為可逆性的，如光修復(fù)。切除修復(fù)指將損傷或不正確的甲基去除和替換，如核苷酸去除，它是負(fù)責(zé)較大范圍損傷的修復(fù)。

一、DNA損傷的修復(fù)

(一)光復(fù)活

光復(fù)活是一種依賴光的過(guò)程，它通過(guò)酶切下DNA上嘧啶二聚體，將毗連的嘧啶接回原結(jié)構(gòu)上。光復(fù)活所依賴的酶，為光裂合酶(photolyase)，它廣泛存在于生物體內(nèi)，包括原核生物和真核生物。

(二)“適應(yīng)性”反應(yīng)

機(jī)體有一種修復(fù)功能，依賴烷基轉(zhuǎn)移酶作用，將鳥嘌呤O6位甲基轉(zhuǎn)給蛋白質(zhì)O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶。這樣，鳥嘌呤可恢復(fù)其正常的堿基配對(duì)特性。

(三)切除修復(fù)

切除修復(fù)是負(fù)責(zé)較大范圍損傷的修復(fù)機(jī)制，它是多步驟修復(fù)過(guò)程，分為兩種：一是切除核苷酸修復(fù)，另一是切除

堿基修復(fù)。切除修復(fù)不僅存在于細(xì)菌，也存在于真核生物，但它們?cè)谀承┘?xì)節(jié)上有差異。

1.核苷酸切除修復(fù)

核苷酸切除是所有生物體內(nèi)最常見(jiàn)的修復(fù)機(jī)制。它基本上可修復(fù)所有種類的DNA損傷，包括紫外線光產(chǎn)物、其他機(jī)制不能去除較大的DNA加合物以及由化學(xué)毒物所致的DNA鏈問(wèn)交聯(lián)如順鉑(cisplatin)。修復(fù)機(jī)制非常復(fù)雜，雖已有深入研究，但對(duì)于修復(fù)中的不均一性解釋在轉(zhuǎn)錄、修復(fù)及突變之間關(guān)系的不可預(yù)見(jiàn)性所知尚少。

2.堿基切除修復(fù)

由DNA糖基酶(DNAglycosylase)作用于受損的DNA，該酶可識(shí)別異常的堿基，通過(guò)切斷堿基與脫氧核糖連接的鍵，使受損的堿基脫落，產(chǎn)生一個(gè)無(wú)嘌呤或無(wú)嘧啶位點(diǎn)，即AP位點(diǎn)。AP內(nèi)切酶將DNA鏈切斷，由聚合酶及連接酶作用完成修復(fù)過(guò)程。

3.誤配修復(fù)誤配修復(fù)(mismatchrepair)是一類性質(zhì)截然不同的切除修復(fù)。它可以識(shí)別并除去錯(cuò)配的堿基對(duì)，如G:T和A:C。4.復(fù)制后修復(fù)復(fù)制后修復(fù)(postreplicationrepair，PRR)與前述的修復(fù)交聯(lián)不同。PRR嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，不是修復(fù)，而是一種耐受過(guò)程，一種以容忍損傷繼續(xù)存在和在高突變率情況下，以換取細(xì)胞繼續(xù)生存的耐受過(guò)程。5.呼救性修復(fù)(SOSrepair)亦可稱SOS修復(fù)，此種修復(fù)對(duì)致突變作用不能提供完全的保護(hù)。

二、遺傳因素對(duì)致突變作用的影響

化學(xué)致突變作用的模式為損傷-修復(fù)-突變，只有修復(fù)功能飽和或能力不足時(shí)才會(huì)引起突變。個(gè)體因素影響致突變作用有兩個(gè)方面，一是先天性，即遺傳因素，也就是遺傳多態(tài)性(geneticpolymorphysm)。二是后天性，主要指不同生活方式如吸煙、飲酒、營(yíng)養(yǎng)缺乏或不平衡、年齡等。一般認(rèn)為，遺傳多態(tài)性在個(gè)體因素影響致突變作用中起決定作用。再者，后天的敏感性亦有可能在一定遺傳背景上出現(xiàn)。

(一)代謝酶遺傳多態(tài)性

遺傳多態(tài)性是一個(gè)衡量遺傳變異的數(shù)據(jù)，即群體中多態(tài)基因的比例。多態(tài)性的標(biāo)準(zhǔn)是，當(dāng)一個(gè)基因座位的最常見(jiàn)的等位基因頻率不超過(guò)0.95時(shí)，這個(gè)基因座位即是多態(tài)性。代謝酶遺傳多態(tài)性的生物學(xué)意義在于解釋有些人易受致突變作用，是因?yàn)槠潴w內(nèi)代謝酶與大多數(shù)人不同，即代謝酶有遺傳多態(tài)性。

1.氧化代謝酶

細(xì)胞色素P-450是機(jī)體代謝化學(xué)毒物的主要酶類。發(fā)現(xiàn)這些酶的多態(tài)性使代謝功能出現(xiàn)較大差異，并因此而影響機(jī)體對(duì)某些毒物的敏感性。

2.酯酶

與致突變作用關(guān)系密切的是環(huán)氧水化酶(EH)。EH的作用具有三重性，它既是活化酶，如參與苯并(a)芘代謝，使之最后生成終致癌物，也是解毒酶。EH活性存在明顯的個(gè)體差異。

3.谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(GST)

它是體內(nèi)重要的解毒酶系之一，許多疏水性及親電子物質(zhì)通過(guò)GST與谷胱甘肽結(jié)合形成硫醚酸，經(jīng)尿排出體外。已知α、π、μ三種類型GST均有多態(tài)性。GSTβ是GST1位點(diǎn)的產(chǎn)物。這一位點(diǎn)有兩個(gè)活躍的等位具有變異型：GST1-1、GST1-2，有些個(gè)體完全無(wú)活性者(O-等位基因)稱為GST1-O。GSTμ的缺乏與肺癌敏感性有密切關(guān)系，即GST1-O的個(gè)體是患肺癌的高危人群。

(二)修復(fù)功能的個(gè)體差異

機(jī)體對(duì)DNA損傷有多種修復(fù)系統(tǒng)，使其遺傳保持高保真度。修復(fù)過(guò)程由不同功能的酶參與，表現(xiàn)出明顯的個(gè)體差異。說(shuō)明修復(fù)酶存在多態(tài)性。即修復(fù)能力差異造成機(jī)體對(duì)損傷的反應(yīng)不一。

1.O6-甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)

它是體內(nèi)一種特異性修復(fù)酶。其作用是將嘌吟與嘧啶上的烷基轉(zhuǎn)移到自身胱氨酸的殘基上，而使堿基恢復(fù)原有的配對(duì)性。該酶有明顯的組織差異和個(gè)體差異。

2.聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(PARP)

PARP的激活為DNA損傷后細(xì)胞的早期反應(yīng)之一，它催化的反應(yīng)作為DNA損傷的一系列細(xì)胞反應(yīng)的過(guò)程之一，可影響DNA修復(fù)及損傷的結(jié)局；它對(duì)外來(lái)因素造成基因突變和腫瘤發(fā)生可產(chǎn)生抑制或促進(jìn)作用，對(duì)于PARP的研究具有重要的毒理學(xué)意義。第五節(jié)觀察化學(xué)毒物致突變作用的基本方法

目前已有200多種試驗(yàn)，但重要的和作為常規(guī)使用的約20種。

一、觀察項(xiàng)目的選擇1.觀察的效應(yīng)終點(diǎn)類型

將試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象所反映的各種事件統(tǒng)稱為遺傳學(xué)終點(diǎn)(geneticendpoint)。國(guó)際環(huán)境致突變物致癌物防護(hù)委員會(huì)(ICPEMC)于1983年提出致突變?cè)?/p>

驗(yàn)的遺傳學(xué)終點(diǎn)分為5類：①DNA完整性的改變(形成加合物、斷裂、交聯(lián))；②DNA重排或交換；③DNA堿基序列改變；④染色體完整性改變；⑤染色體分離改變。其中③實(shí)際上指基因突變，④指染色體畸變。

2.成套的觀察項(xiàng)目

遺傳毒理學(xué)評(píng)價(jià)程序通常為一組體內(nèi)、外遺傳毒理學(xué)試驗(yàn)。因?yàn)椋孩僭诔商子^察項(xiàng)目中既要用體細(xì)胞檢測(cè)又要用生殖細(xì)胞；除了從分子水平還要從細(xì)胞

水平來(lái)檢測(cè)化學(xué)毒物的遺傳毒性。②體內(nèi)試驗(yàn)具有完整的活化系統(tǒng)，而體外試驗(yàn)則通過(guò)加入模擬代謝系統(tǒng)，如S9來(lái)彌補(bǔ)缺乏活化系統(tǒng)的不足。這是體內(nèi)與體外試驗(yàn)的主要差別。在選擇體內(nèi)、體外試驗(yàn)時(shí)，還需要對(duì)其方方面面進(jìn)行深入的了解。③化學(xué)毒物的致突變性有強(qiáng)，也有弱；有的在某一檢測(cè)系統(tǒng)中是強(qiáng)致突變物，而在另一系統(tǒng)中可能是弱的致突變物。

關(guān)于遺傳毒理學(xué)成套觀察項(xiàng)目中那些試驗(yàn)可入選的原則有：①已知遺傳毒性主要有基因突變、染色體畸變、染色體分離異常及原發(fā)性DNA損傷。一組可靠的試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包括每一類型的遺傳學(xué)終點(diǎn)。②通常的實(shí)驗(yàn)材料有病毒、細(xì)菌、真菌、培養(yǎng)的哺乳細(xì)胞、植物、昆蟲及哺乳動(dòng)物等。③體內(nèi)試驗(yàn)與體外試驗(yàn)配合，體內(nèi)試驗(yàn)接近實(shí)際情況，但由于毒性動(dòng)力學(xué)或其他原因，有時(shí)會(huì)漏檢致突變物。④應(yīng)包括生殖細(xì)胞和體細(xì)胞。

為了將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確地外推于人，在反映同一遺傳學(xué)終點(diǎn)的多種實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡可能地選擇體內(nèi)試驗(yàn)，以減少毒性差異，對(duì)于體外試驗(yàn)除應(yīng)加模擬毒性系統(tǒng)