第七章 外源化学物致突变作用 李涛

第一节 概 述

遗传与变异 遗传： 生物物种以各种繁殖方式来保证世代时代间生命的持续。 种瓜得瓜 种豆得豆 变异： 亲子之间或子代之间出现不同程度的差异

环境与基因突变

突变(mutation) 遗传结构本身的变化及其引起的变异称为突变， 突变实际上是遗传物质的一种可遗传的变异。 自发突变(spontaneous mutation) 由于自然界中诱变剂的作用或由于偶然的复制、 转录、修复时的碱基配对错误所产生的突变。 诱发突变(induced mutation) 诱变剂诱发的突变。

遗传毒理学(Genetic Toxicology) 是毒理学的一个分支，研究外源化学物及其他环境因素对生物体遗传机构的损害作用及其规律。其主要目的是检测那些能引起DNA损伤的环境因素，研究其遗传毒作用的特点及对人类的潜在危害。

遗传毒性（genetic toxicity) 致突变作用或诱变作用(mutagenesis) 广义概念是外来因素，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。简单地说，突变的发生及其过程即为致突变作用。 致突变物： 能够引起突变的物 遗传毒性（genetic toxicity) 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及其他不同效应 致突变性(mutagenicity) 引起遗传物质发生突变的能力

环境中的致突变因素 1. 化学物质 天然存在的致突变物：如黄曲酶毒素、亚硝酸盐等 人工合成的致突变物 抗癌药物：如环磷酰胺等 1. 化学物质 天然存在的致突变物：如黄曲酶毒素、亚硝酸盐等 人工合成的致突变物 抗癌药物：如环磷酰胺等 烷化剂：如环氧乙烷、氮芥、硫芥等 有毒金属：如六价铬、有机汞等 农药：如乐果、敌百虫等 食品添加剂：如奶油黄、胭脂红、食用蓝1号和2号等 其他：如多氯联苯、氯乙烯、苯等

物理因素：电离辐射、温度剧烈变化等

在医院接受治疗 的受辐射的孩子 切尔诺贝利事故增加儿童体内DNA变异。 1986年4月26日，原苏联在乌克兰境内修建的切尔诺贝利核电站发生爆炸并引起大火。该事故导致约８吨的强辐射物严重泄露，造成了史无前例的放射性污染，其危害至今也未能完全消除。 切尔诺贝利事故增加儿童体内DNA变异。

3. 生物因素：病毒、基因工程等 转基因鲑鱼(上)比同年龄的野生鲑鱼(下)重 11 倍

突变的类型

第二节 外源化学物致突变的类型 (一) 基因突变（gene mutation；point mutation） 1. 定义：基因突变是指基因组DNA分子发生的突然的可遗传的变异。从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对的组成或排列顺序的改变。这种改变属于基因化学基础的变化，不能应用光学显微镜直接进行观察，须采用理化或生物学方法才能检出。 光学显微镜可分辨的物质最小为0.2μm 相当于4.7×106个核苷酸对的长度 致突变物

(一) 基因突变（gene mutation；point mutation） 2. 类型 碱基置换(base substitution) 2. 类型 碱基置换(base substitution) 转换(transition)：同类碱基之间的取代。 A G T C 颠换(transvertion)：不同类碱基的取代。 A T G T A C G C 指 DNA多核苷酸链上一个或多个碱基的配对性能发生改变或者脱落，使其不能按正常规律与其相应的碱基结合配对，从而引起DNA链中碱基配对的异常，此即碱基置换。 致突变物

转换（transition）： 嘌呤置换另一嘌呤，嘧啶置换另一嘧啶 颠换（transversion） 嘧啶换成嘌呤或者嘌呤换成嘧啶

根据碱基置换产生的后果不同（即对多肽链上氨基 酸序列产生的影响不同），又可分为： 同义突变 错义突变 无义突变 终止密码突变

DNA ···AGC··· ···AGT··· ···AGA··· ···AGG··· 同义突变：当三联密码子中的一个碱基被另一个碱基置换后，密码子的意义没有改变，在合成多肽链时仍插入相同的氨基酸，即虽有碱基的改变，但不伴随氨基酸的变化，此种变化成为同义突变。 一个氨基酸一般有2～6个密码子，丝氨酸有4个。 DNA ···AGC··· ···AGT··· ···AGA··· ···AGG··· 转录 mRNA ···UCG··· ···UCA··· ···UCU··· ···UCC··· 翻译 蛋白质 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸

DNA ···ACG··· ···ATG··· ···AAG··· 转录 错义突变：当三联密码子中的一个碱基被另一个碱基置换后，密码子的意义发生了改变，在合成多肽链时编码出了另一个氨基酸。即由于碱基置换使某一氨基酸的密码子变成了另一个氨基酸的密码子，此种变化为错义突变。 DNA ···ACG··· ···ATG··· ···AAG··· 转录 mRNA ···UGC··· ···UAC··· ···UUC··· 翻译 蛋白质 半胱氨酸 酪氨酸 苯丙氨酸

DNA ···ACC··· ···ACT··· ···ATG··· ···ATT··· 无义突变：由于碱基置换，使mRNA上的一个密码子变成终止密码子（无义密码子），若这个密码子出现在基因中间，就不能继续为氨基酸编码，使翻译过程到此终止，肽链的延长提前结束。 终止密码子：UAG，UAA，UGA DNA ···ACC··· ···ACT··· ···ATG··· ···ATT··· 转录 mRNA ···UGG··· ···UGA··· ···UAC··· ···UAA··· 翻译 蛋白质 色氨酸 翻译终止 酪氨酸 翻译终止

DNA ···ATT··· ···ATG··· ···ACT··· ···ACC··· 终止密码突变：碱基置换使mRNA上的终止密码子变成一个氨基酸密码子，其结果是使合成的肽链延长到第二个终止密码时才结束。 终止密码子：UAG，UAA，UGA DNA ···ATT··· ···ATG··· ···ACT··· ···ACC··· 转录 mRNA ···UAA··· ···UAC··· ···UGA··· ···UGG··· 翻译 蛋白质 终 止 酪氨酸 终 止 色氨酸

(一) 基因突变（gene mutation；point mutation） 2. 类型 碱基置换(base substitution) 2. 类型 碱基置换(base substitution) 移码突变(frameshift mutation) 指DNA碱基序列中插入或缺失一对或少数几对碱基，于是按三联密码的阅读规则，就出现受损点后的碱基序列全部改变，形成错误的密码并翻译为不正常的氨基酸。 密码子的插入(insertion)或丢失(deletion) DNA序列中插入或丢失的碱基数，恰好为一个或多个三联密码时所引起的突变。 致突变物

突变的类型 一、基因突变（gene mutation；point mutation） 二、染色体畸变（chromosome aberration） 指染色体发生了结构的改变，即遗传物质发生了较大的改 变。这种改变可用光学显微镜在细胞有丝分裂中期相观察到。 染色单体型畸变 染色体型畸变 三、非整倍体和多倍体 多倍体(polyploidy) 非整倍体(aneuploid) 多倍体：染色体数目整组的变化，含有完整的染色体组。 如：三倍体(3n) 四倍体(4n) 非整倍体：染色体数目发生非整组的增减，是染色体组不完整的状态。 超二倍体：2n+1，2n+2 亚二倍体：2n-1 染色体结构异常是由于染色体或染色单体断裂所致。其结构异常的主要类型有： 缺失(deletion) 重复(duplication) 倒位(inversion) 易位(translocation) …… 致突变物

缺失（deletion）

重复（duplication ）

易位（translocation）

第三节 外源化学物致突变作用的机制及后果 一、引起突变的DNA变化 （一）碱基损伤 1.碱基错配

烷化剂是指化学性质活泼，能提供烷基使蛋白质和DNA等 大分子物质发生烷基化的一类化合物。 烷化剂种类很多，如硫芥，氮芥，环氧乙烷等。 烷化剂引起基因突变的机制较复杂，既可引起碱基置换， 又可引起移码突变，其致突变性很强。 烷化剂引起突变的主要方式： 1. 改变碱基配对的专一性（碱基改造剂作用） 2. 引起 DNA 脱嘌呤 如： ···CATGGTCA··· ↓ （烷化剂，脱嘌呤GG） ···CAT TCA··· ↓ （复制） ①缺失部位无 ② ···GTAAGT··· （重接） 限制配对 ↓ ↓ 移码突变 出现转换或颠换 （主要类型） 如：酮 式 G≡C ↓ （烷化） 烯醇式Gme＝T ↓ （复制） A＝T 其结构： G≡C → A＝T （转换） 致突变物

四、化学毒物致突变作用的机制 2. 平面大分子嵌入 DNA 链 嵌入物：具有嵌入 DNA 双螺旋结构中相邻多核苷酸链之间或 DNA 单链之间的结构特性的物质。 常见的嵌入物：多环芳烃的环氧化物，吖啶（ādìng）类化合物，联苯胺等。其共同的结构特征为：平面多环状结构，一般是三个环，长度极为相似约 6.8Å。 3.4Å 致突变物

A G T C 解 链 插入一个碱基 嵌 入 模板链 缺失一个碱基 致突变物

某些物质的化学结构和DNA链上的碱基非常类似，称为碱 基类似物。如果这类碱基类似物在DNA合成期中存在，就能与 3. 碱基类似物取代 某些物质的化学结构和DNA链上的碱基非常类似，称为碱 基类似物。如果这类碱基类似物在DNA合成期中存在，就能与 正常碱基竞争，并取代碱基位置而掺入DNA分子中。 如：5-溴尿嘧啶(5BU)的氢键特性与 T 相同，故可替代T与 A 配对。A＝T → A＝5BU 致突变物

某些化合物与碱基相互作用，可使碱基的化学结构发生改 变，这类化合物称为碱基改造剂。 碱基化学结构改变后，使碱基配对异常，导致碱基置换。 4. 碱基的化学结构改变或破坏 某些化合物与碱基相互作用，可使碱基的化学结构发生改 变，这类化合物称为碱基改造剂。 碱基化学结构改变后，使碱基配对异常，导致碱基置换。 常见的碱基改造剂有：羟胺，亚硝酸盐，烷化剂 如：在亚硝酸盐作用下氧化脱氨基 C → U A → HX (次黄嘌呤) 如：C 在羟胺作用下，可生成 6-羟胺基胞嘧啶(C*)，而 6- 羟胺基胞嘧啶的氢键特性与 T 相同，故可替代 T 与 A 配对。 A＝T → A＝C* 致突变物

（二）DNA链受损 1. 二聚体的形成 2. DNA加合物的形成 3. DNA-蛋白质交联物

二、引起突变的细胞分裂过程的改变 三、其他的改变 对DNA合成和修复有关的酶系统作用可间接导 致DNA损伤，诱发基因突变或染色体畸变。

五、突变的后果 致突变物对机体的作用是通过靶细胞的突变来实现的。 1. 体细胞突变的后果 肿瘤形成、致畸等 1. 体细胞突变的后果 肿瘤形成、致畸等 2. 生殖细胞突变的后果 显性致死、遗传性变异等 3. 其他后果 动脉硬化、衰老等 从毒理学的角度，不论突变的后果如何，均应将致突变作 用视为毒性作用的表现。 致突变物

突变的不良后果 突变的不良后果 体细胞突变 生殖细胞突变 癌变 致畸 衰老 配子死亡 死胎 自发流产 先天畸形

（一）生殖细胞突变 基因库（gene pool）： 某一物种在特定时期中能将遗传信息传至下一代的处于 生育年龄的群体所含有的基因总和。 遗传负荷（gene load）： 一种物种的群体中每一个携带的可遗传给下一代的有害 基因的总和

（二）体细胞突变

第四节 机体对致突变作用的影响 损伤耐受： DNA修复：

一、DNA损伤的修复 1. 直接修复 修复的是可逆性的、较小的损伤 （1）光复活 （2）“适应性”反应

2. 切除修复 负责较大范围损伤的修复机制，是一个多步骤的过程 分两种： （1）切除核苷酸修复 （2）切除碱基修复 3. 错配修复 4. 双链断链修复 5. 交联修复

二、遗传因素对致突变作用的影响 （一）代谢酶遗传多态性 遗传多态性（genetici polymorphsm): 是一个衡量遗传变异的数据，即群体中多态基因的比例。 多态性的标准：当一个基因座位的最常见的等位基因频率不 超过0.99时，这个基因座位就是多态性。

1. 氧化代谢酶 2. 酯酶 3.谷胱甘肽硫转移酶

（二）修复功能的个体差异

生殖细胞突变的后果： 1. 致死性突变 导致死胎，影响后代的数量而非质量 2. 非致死性突变 主要影响后代的质量