遺傳毒性及其評價

1、外源化學物的遺傳毒性及其評價,第二軍醫(yī)大學衛(wèi)生毒理學教研室 鄭怡文,第一節(jié) 基本概念,第二節(jié) 遺傳毒性的類型,第六節(jié) 遺傳毒性的評價,第五節(jié) 遺傳毒性的檢測方法,第四節(jié) 遺傳毒性的后果,第三節(jié) 遺傳毒性的機制,,第一節(jié) 基本概念,遺傳毒理學(genetic toxicology),研究環(huán)境因素對機體遺傳物質(zhì)和遺傳過程的作用, 闡明遺傳毒性對機體健康的后果及其作用機制,,為保護人體健康和生態(tài)平衡提供科學依據(jù)的一

2、門毒理學分支學科。,,基本概念,突變是一種遺傳狀態(tài)，是可以通過復制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)的永久性改變,化學物質(zhì),遺傳物質(zhì),突 變 (mutation),,遺傳毒物(genotoxicant) 誘變劑(mutagen)致突變物,能力－遺傳毒性(genetic toxicity /genotoxicity) 誘變性(mutagenicity) 致突變性,,,直接致突變物—無需代謝活化 (

3、direct-acting mutagen)間接致突變物—需代謝活化 (indirect-acting mutagen),,,基本概念,過程－致突變(mutagenesis),按發(fā)生方式,突變,自發(fā)突變(spontaneous mutation)誘發(fā)突變(induced mutation),,,頻率 進程 后果 低 漸進 有益 高 突然 有害？,第二節(jié) 遺傳毒性的類型,從遺傳學角

4、度分類 基因突變(gene mutation) 染色體結(jié)構(gòu)畸變(structural chromosome aberration) 染色體數(shù)目畸變(numerical chromosome aberration),從發(fā)生機制角度分類 以DNA為靶的損傷(包括基因突變和染色體結(jié)構(gòu)畸變） 不以DNA為靶的損傷(主要指染色體數(shù)目畸變）,遺傳毒性類型,基因突變 染色體結(jié)構(gòu)畸 染色體數(shù)目畸變,指基因在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了堿基對組成和排列序

5、列的改變,遺傳毒性的類型,基因突變,,基因突變的類型,(一) 根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變,(二) 根據(jù)對遺傳信息的改變,(三) 根據(jù)突變效應方向分類,堿基置換(base substitution)：移碼突變(frameshift mutation) 三核苷酸重復(triplet repeats)大段損傷(large fragment damge),遺傳毒性的類型,,基因突變的類型,(一) 根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變,堿基置換(base subs

6、titution) ——DNA核苷酸鏈上出現(xiàn)錯誤配對，某一堿基被另一堿基取代。 因僅牽涉到一個堿基對，又稱點突變。轉(zhuǎn)換(transition)顛換(transvertion),遺傳毒性的類型,基因突變,,,遺傳毒性的類型,基因突變,,移碼突變(frameshift mutation) ——基因編碼區(qū)內(nèi)缺失或增加的核苷酸數(shù)目不是3的倍數(shù)而改變遺傳閱讀框的突變。,后 果改變了產(chǎn)物的氨基酸組成，并可能使蛋白質(zhì)合成過早終止；若移碼

7、突變發(fā)生在必需堿基，則可能是致死的；若插入或缺失三個堿基, 閱讀框架不變，其產(chǎn)物常常有活性 或 有部分活性——整碼突變,三核苷酸重復(triplet repeats) 又稱三聯(lián)體重復或三核苷酸擴展,即一特定的三聯(lián)核苷酸被擴增，重復數(shù)目超過正常數(shù)目 目前已知有三聯(lián)體重復的遺傳病：強直性肌營養(yǎng)不良癥、亨廷頓(Huntington’s)病、脆性X綜合征等。,遺傳毒性的類型,基因突變,,大段損傷(large

8、 fragment damge)：亦稱DNA重排指DNA序列上有較長的一段序列的重排分布,包括大段(一個堿基至數(shù)千個堿基)的插入、缺失、取代、復制、放大和倒位。這類損傷有時可波及兩個基因甚至數(shù)個基因。,遺傳毒性的類型,基因突變,,ABCDEFGHIJ,ABCDEKLFGHIJ,ABCDGHIJ,,ABCKLMGHIJ,ABCDEFDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCD

9、EFGHIJ,ABCDEFGHIJ,,ABCGFEDHIJ,,正常插入缺失取代重復內(nèi)重復放大倒位,,基因突變,遺傳毒性的類型,,基因突變的類型,(二) 根據(jù)對遺傳信息的改變,同義突變: 是指沒有改變基因產(chǎn)物氨基酸序列的突 變，與密碼子的兼并性有關,錯義突變: 是指堿基序列的改變引起了產(chǎn)物氨基酸 序列的改變,無義突變 :是指某個堿基的改變使代表某個氨基酸

10、 的密碼子變?yōu)榈鞍踪|(zhì)合成的終止密碼子 導致多肽鏈在成熟之前終止合成,(三)根據(jù)突變效應方向分類,正向突變:是指改變了野生型性狀的突變回復突變:是指突變體所失去的野生型性狀可以通 過第二次突變恢復（原點恢復突變很少）,遺傳毒性的類型,,基因突變的類型,染色體結(jié)構(gòu)畸變,,遺傳毒性的類型,由于染色體或染色單體斷裂，造成缺失或引起各種重排，從而出現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)的異常,染色體型畸變－兩條染色單體均涉及

11、（DNA復制前損傷）染色單體型畸變－僅涉及一條染色單體（DNA復制后損傷）,斷裂劑—凡能引起染色體斷裂的化學物質(zhì),染色體結(jié)構(gòu)畸變,,遺傳毒性的類型,雙著絲粒染色體和無著絲粒,無著絲粒環(huán),三輻體,四輻體,核內(nèi)復制,注：A、B、C、D代表非同源染色體,染色體數(shù)目畸變,,遺傳毒性的類型,第三節(jié) 遺傳毒性的形成機制,致突變機制模式,DNA損傷－修復－突變,,遺傳毒性的機制,一、DNA損傷(DNA damage) 在遺傳毒物的作用

12、下，DNA的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，DNA的復制與轉(zhuǎn)錄受到阻礙,,遺傳毒性的機制,堿基損傷 DNA鏈損傷,(一)堿基損傷1. 堿基錯配,2.平面大分子嵌入DNA鏈,3.堿基類似物取代 ? BrdU( 5-脫氧尿嘧啶核苷)?取代T ?互變異構(gòu) ?堿基置換 錯配（ A:T G:C G:C A:T）,? 2-AP（2-氨基嘌呤） ?取代鳥嘌呤?互變異構(gòu) ?堿基置換 錯配 (A:T G:C),,,,4.

13、堿基的化學修飾 ? 堿基氧化脫氨--亞硝基引起,DNA鏈上相鄰的嘧啶共價相連，形成TT、TC、CC等嘧啶二聚體,(二)DNA鏈損傷,1.二聚體的形成,2.DNA加合物的形成 活性化學物與DNA、蛋白等細胞大分子之間通過共價鍵形成的穩(wěn)定復合物，通常很難用一般的化學或生物學方法使其解離大加合物代表物：多環(huán)芳烴、生物毒素、黃曲霉毒素B、芳香胺類后 果：DNA立體構(gòu)象明顯變化，阻斷受損部位復制轉(zhuǎn)錄

14、 或?qū)е乱拼a突變小加合物代表物：烷化劑、亞硝基化合物后 果：對DNA構(gòu)象影響較小，易導致堿基錯配,DNA-DNA交聯(lián) 代表物：亞硝酸、絲裂霉素C、氮和硫的芥子氣、各種鉑的衍生物等后 果： DNA分子上一條鏈的堿基與互補鏈上的相應堿基形成共價連接，致使復制時不能解鏈，復制和轉(zhuǎn)錄終止,DNA鏈內(nèi)、鏈間、DNA與蛋白質(zhì)的交聯(lián) 代表物：多功能烷化劑后 果：交聯(lián)后不易修復或

15、易錯修復，高度致突變，并致 染色體斷裂，易導致死性突變,3.交聯(lián)分子的形成,,DNA損傷的常見類型,堿基類似物的取代鏈間嵌入DNA鏈斷裂DNA堿基修飾堿基烷化和共價結(jié)合DNA－DNA交聯(lián)DNA－蛋白質(zhì)交聯(lián) ……,二、DNA修復,DNA損傷修復按其機制可分為:損傷修復機制（repair mechanisms）損傷耐受機制（tolerance mechanisms）,,

16、遺傳毒性的機制,(一) 損傷的逆轉(zhuǎn)—直接修復,損傷修復機制(repair mechanisms),堿基切除修復(Base excision repair, BER),(二) 切除修復,切除和替換損傷的DNA堿基受損堿基移除由DNA糖基化酶啟動,由多個酶共同完成主要針對DNA單鏈斷裂、小的堿基改變及氧化性損傷,核苷酸切除修復(Nucleotide excision repair, NER),最常見，是體內(nèi)識別 DNA 損傷最多的修復通

17、路在DNA內(nèi)切酶、外切酶、 DNA聚合酶、DNA連接酶等共同作用下，將DNA受損部位切除，并以另一條完整的DNA鏈為模板，再填補切去的部分,（四）鏈斷裂的修復,（五）交聯(lián)修復,（六）跨損傷的DNA合成,（三）錯配修復(mismatch repair,MMR),損傷耐受機制(tolerance mechanisms)-未清除DNA損傷，但可允許細胞存活,（一）重組修復 －復制后修復,（二）SOS修復,在大腸桿菌，阻止DNA復制的損傷等可

18、誘發(fā)SOS修復系統(tǒng)，即誘導細胞產(chǎn)生特殊的DNA聚合酶，以不嚴格的堿基配對使復制通過損傷部位通過SOS修復，細胞得以存活，但常導入錯誤的堿基，故為易錯修復,常見的DNA損傷及其修復機制,錯配修復,切除修復,直接修復,雙鏈損傷,單鏈損傷,單個核苷酸的短補片添加,轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER,多個核苷酸的長補片合成,全基因組NER,堿基切除修復,核苷酸切除修復,非同源性末端連接,同源重組,DNA修復,,,,,,,,,,,,,,,,,三、整倍

19、體和非整倍體的形成,對DNA合成和修復有關的酶系統(tǒng)的作用對紡錘體的毒作用 ? 與微管蛋白二聚體結(jié)合 ? 與微管上的巰基結(jié)合 ? 破壞已組裝的微管 ? 妨礙中心粒移動,,遺傳毒性的機制,表觀遺傳突變(epimutation) 與突變,環(huán)境因素可以通過基因組的可遺傳的變異導致有害的表型改變。然而, 突變并不是基因組可遺傳變異的唯一機制。環(huán)境物質(zhì)也可直接或間接改變甲基化模式和表觀遺傳狀態(tài)等非DNA序

20、列信息，導致功能基因表達改變，引起表型的改變。,遺傳毒物的作用機制,致突變機制模式,DNA損傷－修復－突變,第四節(jié) 遺傳毒性的后果,遺傳毒物,,遺傳毒性的后果,遺傳負荷(genetic load):一個群體由于有害等位基因存在而使適應度下降的現(xiàn)象。以人群中平均每個個體攜帶的有害基因的數(shù)量來表示 。,第五節(jié) 遺傳毒性的檢測方法,檢測基因突變 檢測染色體畸變 檢測DNA損傷,檢測基因突變,,細菌回復突變試驗,哺乳動物細胞基因突

21、變試驗,昆蟲突變試驗,哺乳動物體內(nèi)突變分析,昆蟲突變試驗,?,檢測基因突變,分子生物學技術,基因組測序基因芯片轉(zhuǎn)基因動物突變檢測系統(tǒng)……,檢測染色體畸變,哺乳動物體外細胞遺傳學分析,哺乳動物體內(nèi)細胞遺傳學分析,?,?,檢測DNA損傷,DNA鏈斷裂程序外DNA合成(UDS)DNA加合物的檢測DNA修復的檢測姐妹染色單體交換（SCE） 單細胞凝膠電泳,第六節(jié) 遺傳毒性的評價,根據(jù)不同的測試對象和目的選擇試驗組合,,遺傳試

22、驗組合的原則,試驗組應能檢測多個遺傳學終點指示生物應包括幾個進化階段，至少要包括原核細胞與真核細胞兩個系統(tǒng)應包括體細胞和生殖細胞突變試驗應包括體內(nèi)試驗與體外試驗體外試驗應包括加與不加代謝活化系統(tǒng),一些國家新藥遺傳毒性評價的項目,判斷化合物是否有致突變性的標準,陽性：在檢出任一遺傳學終點的生物學試驗中 呈現(xiàn)陽性反應的物質(zhì)陰性：需檢測五種遺傳學終點的一系列試驗中 均為陰性 ? DNA完整性改變

23、 ? DNA重排或交換 ? DNA堿基序列改變 ? 染色體完整性改變 ? 染色體分離改變 確定對人具有致突變性還需做流行病學調(diào)查,,致突變物的分類標準,參考資料,Mutation Research – Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis,Mutation Research – Reviews in Mutatio