遺傳毒理學－突變物 4.1 DNA、基因與遺傳 4.2 突 變 4.3 染色體異常 4.4 突變所產生的後果 4.5 遺傳毒性試驗

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1 遺傳毒理學－突變物 4.1 DNA、基因與遺傳 4.2 突 變 4.3 染色體異常 4.4 突變所產生的後果 4.5 遺傳毒性試驗
4.2　突　變 4.3　染色體異常 4.4　突變所產生的後果 4.5　遺傳毒性試驗 4.6　安氏突變試驗 4.7　突變性分級與突變物

2 遺傳毒理學(genetic toxicology)主要是研究能影響生物體遺傳作用之因子。許多具有遺傳毒性(genotoxicity)的化學物質能改變生物體內的遺傳特質，使遺傳訊息之傳遞產生異常或變動，進而造成細胞、組織或生理功能上之障礙。簡而言之，凡是能與DNA作用之物質並影響其正常功能者，皆可稱之為具有遺傳毒性。

3 具有遺傳毒性的物質最常造成遺傳作用損害的形式有兩種，即基因突變（gene mutation，包含基因本身及會影響基因表現的DNA片段）和染色體異常(chromosome aberration)，相對而言，前者為一微觀上(microscopic)的損害；而後者則為一相對較巨觀上(macroscopic)的作用，並可藉由顯微鏡來觀察。近年來，突變(mutation)一詞已廣義的泛指生物體內遺傳物質的損害(genetic damage)，也因此一般認定突變物即是遺傳毒物(genotoxic compounds)。

4 4.1 DNA、基因與遺傳 生物體內之遺傳物質為DNA（去氧核糖核酸， deoxyribonucleic acid），其位於染色體上（圖4.1）。 細胞內之DNA為生物遺傳訊息所在之處。DNA由許多去 氧核苷(deoxynucleotide)所組合而成。一個核苷包含三個 部分，即鹼基、核糖、磷酸（圖4.1）。在一長串的DNA 上，部分片段的核苷上鹼基（Adenine腺嘌呤，Guanine 鳥嘌呤，Thymine胸腺嘧啶，Cytosine胞嘧啶）的排列順 序的組合代表了特定的基因(gene)。

5 基因即是合成體內某一蛋白質的訊息所在，並構成生物 基因體（genome，即染色體上之所有DNA，人類約有30 億個鹼基對）中的最重要部分。蛋白質由胺基酸組成， 並為構成生物體之基礎，具多種角色，包括酵素、荷爾 蒙、抗體、肌肉、蛋白、膠原蛋白等，皆由不同蛋白質 組合而成。因此，基因即控制生物體之生長、生存、代 謝等所有作用，也同時決定一生物體之所有特性。當 DNA上之基因訊息被轉錄(transcription)至mRNA（信差 核糖核酸，messenger ribonucleic acid）上（此時鹼基T在 RNA上則相對應為U），然後再經轉譯(translation)作用， 則一蛋白質即可被合成。

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7 在一基因上，每3個鹼基的排列代表一組密碼，稱為密碼 子(coden)，而每一coden則相對應於1個胺基酸。例如 GCU或GCC為丙胺酸(alanine)，而GGU或GGC則為甘胺 酸(glycine)。當在進行轉譯作用時，tRNA（傳遞核糖核 酸，transfer RNA）藉由讀取不同的密碼子來判斷所需攜 帶的胺基酸為何？有些片段之DNA並非基因之一部分， 但可能與合成蛋白質的過程有關，而這些DNA片段則稱 為調控序列(regulatory sequences)。

8 例如停止轉錄作用的訊息為UAA或UAG，而開始作用的 訊息則為AUG，這些訊息的改變也同樣可能影響到正常 蛋白質的合成。全球科學家於2006年所完成的人類基因 圖譜計畫顯示人類單倍體基因體內總共約有23,000個基 因，而其所佔的編碼序列只佔總DNA長度的1.5%，其他 的DNA（稱為垃圾DNA）的功能，絕大部分仍有待瞭解。

9 染色體與DNA結構

10 DNA主要構造與四個鹼基: Adenine, Guanine, Thymine, Cytosine

11 基因上密碼子與胺基酸對應圖

12 蛋白質或胜肽合成: 基因上訊息被轉錄(Transcription)及轉譯 (Translation)

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20 4.2 突　變 突變(mutation)是指在DNA上的鹼基之排列順序或組成 受到改變的現象，而能夠產生突變作用之物質稱為突變 物(mutagen)，發生突變之過程則稱為突變發生 (mutagenesis)。例如在DNA上僅以鹼基的種類來表示， 若部分片段原為-AATTA-但經改變成為-TATTC-時，則 此為一種鹼基被取代(substitution)之突變作用，因為原訊 息已受改變。當然，也有可能是某些鹼基遭刪除 (deletion)或增加(addition)，而此類作用將產生一種結構 位移(frame-shift)的現象，導致鹼基排列順序產生明顯的 改變。圖4.2顯示不同基因突變形式與其最後轉錄之結果。

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22 有些化學物質能與DNA上之鹼基結合形成結合體(DNA adduct)，並導致配對鹼基之間（A與T或G與C）無法再 以氫鍵連結並產生錯誤配對(mispaired)的現象。能產生 adduct較著名之物質包括acetaldehyde、benzo[a]pyrene、 aromatic amine acetylaminofluorene (AAF)、DMBA (7,12- dimethylbenz[a]anthracene)等。突變的原因很多，包括細 胞分裂複製染色體時所發生的自然突變以及如上述例子 的化學性突變。除此之外，輻射線（包括紫外線）能直 接破壞鹼基甚至染色體結構或造成鹼基異常之化學鍵結， 此類物理性突變之影響往往較前兩類為鉅。

23 不同之基因突變形式

24 4.3 染色體異常 除了DNA上鹼基的異常能造成對細胞或生物體的影響外， DNA所處在之染色體亦有可能產生變異。染色體異常通 常發生在細胞分裂時，並可藉顯微鏡在觀察細胞之切片 時發現。造成染色體異常之物質則稱為碎體物(clastogen)。 此種遺傳物質在巨觀上的改變往往會造成不良之後果。 染色體異常可以包括兩大類。第一類為染色體數目的改 變，包括數目之增加或減少，如非整倍數體(aneuploidy) 及多倍數體(polyploidy）。

25 非整倍數體為單一或少數染色體數目的增加或減少，例 如正常人類染色體為46個或23對(2n)，不正常者則可能 為45或47個；而多倍數體則指整組染色體數量之變化， 例如染色體數目變為69個(3n)。第二類之染色體異常則 是染色體結構上的變化，包括斷裂、刪除、重組、姊妹 染色分體交換(sister chromatid exchange)等。圖4.3顯示出 不同染色體結構異常的現象。 由於DNA位於染色體上，故此類染色體結構上的異常亦 有可能影響到其上之DNA與基因，有時也導致前述之突 變現象，也因此，碎體物亦有可能是突變物的一種。

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28 a:染色體斷裂，b:缺乏中心粒，c:缺口，d: 染色體異常排列，e:異常重組，f:含兩個中心粒
不同染色體結構異常 a:染色體斷裂，b:缺乏中心粒，c:缺口，d: 染色體異常排列，e:異常重組，f:含兩個中心粒

29 唐氏症(Down’s syndrome)於21對染色體多一條

30 4.4 突變所產生的後果 突變對生物體的影響取決於其作用的部位或細胞種類、 突變形式、受改變基因的重要性、基因之相對蛋白質與 其功能及損害點之修復作用等因素。如果發生突變作用 之DNA片段恰好位於一基因上或與其轉錄過程有關，則 此突變將導致原訊息所相對應之蛋白質與原來者具有差 異性。此差異有時可能會被細胞內的特殊機制所修復 (repair mechanism)，即使未被修復，其影響可能不大， 但有時卻可能減低或增加細胞之活性，甚至於造成細胞 死亡或產生其細胞特質的變化進而發展為癌細胞。

31 突變可能被修復 突變未被修復，可增加或降低細胞活性，或造成細胞死亡，或造成細胞癌化。 鐮刀型貧血症、苯酮尿症、半乳糖血症、蠶豆症（G-6-P 去氫酶缺乏症）、白子症 唐氏症（xx x21）、透納氏症（X）、克萊恩費爾特氏症（XXY）

32 半乳糖血症 半乳糖血症(galactosemia)是一種體染色體隱性遺傳的醣類代謝異常疾病。由於半乳糖(galactose)轉變成葡萄糖(glucose)的代謝途徑發生機障，導致體內半乳糖的堆積。目前已知有三種酵素缺乏會造成此代謝機障：半乳糖激素(galactokinase)、半乳糖-1-磷酸尿甘醯轉移酵素(galactose-1-phosphate uridyltransferase)及尿甘二磷酸半乳糖-4-表異構酵素(UDP galactose-4-epimerase)。其中以半乳糖-1-磷酸尿甘醯轉移酵素缺乏最為常見。此疾病歐美白人約為十萬分之一，國人的發生率可能更低。半乳糖-1-磷酸尿甘醯轉移酵素缺乏的患者，於出生時無異狀，餵乳數天後發生嚴重吐奶、呈昏睡狀，之後會有肝脾腫大、黃疸，嚴重的病歷會因血液感染而死亡。症狀較輕而存活的個案，會有生長發育及智能的障礙、白內障及肝硬化等症狀。

33 透納氏症 透納氏症〈Turner Syndrome〉是一種染色體異常的遺傳性疾病，卵巢功能以數倍於常人的速度衰退，這種變化自胎兒時期一直延續到出生後；很多病患尚未到青春期，卵巢功能就已經衰竭。因此患者到了青春期，大部分並沒有性徵的發育，終其一生有發育、生長及欠缺荷爾蒙的問題。 除此之外，透納氏症的臨床特徵是：矮小 (平均身高比一般人矮20公分，中國人約在140公分左右)、外型粗壯、蹼狀頸、特殊臉型、乳頭間距增大、盾狀胸，並且常伴有腎臟及心臟的異常。最常見的心臟異常是主動脈狹窄及主動脈辦膜只有雙瓣。透納氏症病人有一至三成患有甲狀腺低下症，糖尿病的比例也稍高。透納氏症病人因骨質疏鬆所引起的骨折、主動脈剝離、及狹心症等較普通人容易發生，因此一般壽命較短。

34 透納氏症（續） 新生兒中每1500人至2500人有一位是透納氏症。多數透納氏症患者因為卵巢過早萎縮而不能懷孕，她們的卵子多半在懷孕第十八週至出生後幾天或幾個月，就急速消耗殆盡；只有少數患者的卵子，很例外的可以維持好幾年。因此只有一小部分透納氏症病人，到了青春期仍然有少數的卵子；所以將近百分之五至三十仍會自然進入青春期，出現掖毛及陰毛，有百分之二至五甚至於會有月經，但是這其中大部分仍然很早就停經了。只有百分之二的透納氏症病人可以自然受孕

35 克萊恩費爾特氏症 若精卵母細胞在形成配子（精子或卵子）的減數分裂過程中，發生第23對性染色體不分離，而形成具有異常24XX染色體的卵子或24XY的精子，此異常的配子與另一正常的配子結合後，便形成一個帶著47XXY的異常受精卵，而生下多出一個 X 染色體的男嬰。2/3的患者是卵子染色體異常引起的，1/3的患者是精子染色體異常引起的。 沒有精蟲的主要原因，可能是因為多一個X染色體造成精母細胞死亡，確實原因不明。睪丸組織切片可見細精管萎縮，呈纖維化或玻璃樣變性。主要體徵：陰莖短小、睪丸不發育（小或隱睪）、陰毛呈女性分佈、鬍鬚腋毛與陰毛稀少或缺如、無喉結、皮膚較細嫩、乳房腫大。

36 染色體異常 青島一對親姊妹，二十五年來都以姊妹相稱，最近到醫院檢查才發現，姊倆原來是哥倆。這對姊妹，姊姊二十六歲，妹妹二十五歲。兩個人都有原發性閉經的毛病。妹妹結婚以後一直沒有懷孕。兩個人一起到青島東方不孕症醫院檢查。醫生發現，姊妹倆的子宮都很小，也沒有卵巢。一檢查染色體，竟然發現他們兩個都有Y染色體，所以應該算是男性。 醫生表示，他們有Y染色體，所以性腺沒有發育成卵巢，但是也沒有發育成睪丸。現在醫生決定先切除他們發育不良的性腺，再決定下一步的治療。

37 除體細胞(somatic cells)外，突變作用亦可能發生於生殖 細胞（germ cells，卵子或精子），而其產生的結果也將 不同，因為此受改變之遺傳訊息將有可能被傳遞至其後 代。圖4.4為突變所可能發生之結果，其中因基因異常表 現所導致癌細胞之形成與癌症發生(carcinogenesis)，是 遺傳毒理研究中較受重視之突變結果。化學物質或輻射 線所造成之染色體異常通常將導致受害細胞死亡，僅有 在少數情形下，此異常會藉由生殖而傳遞給下一代。

38 本章列舉一例來說明基因的差異所可能導致的不良後果。 表4
本章列舉一例來說明基因的差異所可能導致的不良後果。 表4.1為遺傳性鐮刀型貧血(sickle cell anemia)患者體內合 成血紅素(hemoglobin)的基因上鹼基排序與正常人之比較。 此類DNA上的點突變(point mutation)即可造成此基因所 合成的血紅素（蛋白質）因結構變形而無法正常的攜帶 氧氣，進而引發貧血(anemia)。

39 人類許多遺傳疾病皆與體內特定基因變異有關，包括苯 酮尿症(phenylketonuria)、半乳糖血症(galatosemia)、葡 萄糖-6-磷酸鹽去氫酶缺乏症（glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency，俗稱蠶豆症）、海洋性貧血 (thalassemia)、白化症(albinism)、鐮刀型貧血…等。另外， 染色體異常的遺傳疾病則有唐氏症（Down’s syndrome， 為第21對染色體多一條）、透納氏症（Turner’s syndrome，其性染色體僅有一條X）、克萊恩費爾特氏 症（Klinefelter’s syndrome，其性染色體多了一條X）等。

40 並非所有的突變都是有害的。突變後之基因表現異於平 常有時反而可能製造功能較佳之蛋白質而更有利於細胞 或生物的存活，此有益的突變則是生物演化的主要推動 力之一。在演化過程中，大自然藉由生物體內多元、長 期、連續的累積突變，產生較能適應環境改變之物種， 甚至淘汰適應力差或較弱（包括有害突變之結果）之原 種生物。

41 (或優勢，演化)

42 基因突變產生的異常結果

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44 鎌刀型貧血症的異常基因 穀胺酸 纈胺酸

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47 鐮刀型貧血症的病理 鐮刀型紅血球疾病是指由鐮刀型血紅蛋白所導致的一類遺傳性疾病的總稱。紅血球皆因異常的鐮刀型血紅蛋白的聚合而改變形狀，以致於失去了攜帶氧氣的能力。這個過程會傷害紅血球的細胞膜，並使其阻塞在血管內。使得組織無法得到氧氣(貧血)，因而會導致局部缺血或梗塞。

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50 4.5 遺傳毒性試驗 吾人可運用不同的遺傳毒性試驗(genotoxicity test)來測 試化學物質是否能造成體細胞(somatic cell)或生殖細胞 (germ cell)的突變，並瞭解其潛在的致癌性為何？由於癌 症之生成與基因受損有關，因此遺傳毒性試驗（或突變 試驗）亦被認為是判定物質致癌性之先期試驗。

51 吾人已發展出不同的遺傳毒性測試方法，而所使用的物 種包括細菌、真菌、病毒、培養之細胞、植物、昆蟲、 低等動物與哺乳類動物等。突變性試驗可依觀察終點的 不同分為以下類型：基因突變、染色體異常、aneuploidy、 其他種類。不同的方法中，有些是短期的、有些是長期 的；另外有些是利用活體(in vivo)，而有些則是利用培養 之組織（離體，in vitro）。

52 世界衛生組織(WHO)下的國際化學品安全署(International Programme on Chemical Safety, IPCS)，近年在針對化學 品分類及標示之全球調和制度(Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals, GHS)中提出突變物之一般測試方法，如表4.2所列。如 經過in vivo之測試後被確認其對體細胞具有潛在之基因 毒性，則必須進入採用生殖細胞之測試程序來加以確認 其毒害是否具有遺傳至下一代之可能性，其部分方法與 體細胞測試方法相似。

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56 4.6 安氏突變試驗 安氏突變試驗(Ames test)為美國人Bruce Ames教授於 1983年所提出的突變物測試方法。此法將經逆轉 (reversed)後之沙門氏菌(Salmonella typhimurium)暴露於 待測物中。由於此逆轉菌種(revertant)無法存活於缺乏組 織胺酸(histidine)之培養液中。當將逆轉菌培養於含待測 物但無histidine試液中，該菌卻能利用培養液中葡萄糖合 成histidine而存活並生長出菌落時，表示該待測物具有基 因突變之作用，而能將逆轉菌回復為原菌種。

57 由於安氏突變試驗具簡易、快速、經濟等特點，此方法 目前被廣泛的使用於突變物之測試（見表4
由於安氏突變試驗具簡易、快速、經濟等特點，此方法 目前被廣泛的使用於突變物之測試（見表4.2）。Bruce Ames教授曾利用此法檢測175種已知之致癌物，並發現 其中有超過90%者皆顯示為陽性（具突變性），因此， 安氏突變試驗也被做為致癌物先期測試方法之一，此也 說明了癌細胞之形成與基因突變有相當密切之關係（見 第五章）。

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59 4.7 突變性分級與突變物 一般的化學物質須經不同的測試方法及鑑定程序後，方 能判斷其遺傳毒性。在現有超過數十萬種常用的化學物 質中，僅有少部分是經過遺傳毒性測試的。針對化學物 質突變性的強弱，聯合國WHO之GHS將突變物分為兩大 類(category)而歐盟則分為三大類，但後者將於2015年開 始採用GHS方法。兩者之分類方式如表4.3所示。

60 以傳統遺傳毒性鑑定程序判定之突變物中，有些是工業 常用之化合物，有些是來自於生物體內(mitomycin C)； 另外有些則屬於藥物類(Hycanthone, Isoniazid, Cyclophosphamide, Triethylene melamine)。在一般環境中， 有些天然或人為之混合物類(mixture)也具有突變性；這 些包括多環芳香族烴（PAHs，見第十一章）、香菸、煤 焦等（表4.3）。

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62 突變或遺傳毒性對生物體的最終影響與許多因素有關， 採用不同的生物測試方法不見得能將一物質的潛在或需 長時間才能發展出的危害性發掘出來，但現今分子生物 與定量式結構活性關係(quantitative structure- activity relationship, QSAR)技術的迅速發展與資訊累積，以及人 類基因圖譜資料庫的建立，將有助於吾人在更短的時間 內瞭解此類物質對人體健康的影響。