遺傳毒性及其評(píng)價(jià)

1、外源化學(xué)物的遺傳毒性及其評(píng)價(jià),第二軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)生毒理學(xué)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(píng)價(jià),第五節(jié) 遺傳毒性的檢測(cè)方法,第四節(jié) 遺傳毒性的后果,第三節(jié) 遺傳毒性的機(jī)制,,第一節(jié) 基本概念,遺傳毒理學(xué)(genetic toxicology),研究環(huán)境因素對(duì)機(jī)體遺傳物質(zhì)和遺傳過(guò)程的作用, 闡明遺傳毒性對(duì)機(jī)體健康的后果及其作用機(jī)制,,為保護(hù)人體健康和生態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù)的一

2、門(mén)毒理學(xué)分支學(xué)科。,,基本概念,突變是一種遺傳狀態(tài)，是可以通過(guò)復(fù)制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)的永久性改變,化學(xué)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(wú)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(guò)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(jìn)程 后果 低 漸進(jìn) 有益 高 突然 有害？,第二節(jié) 遺傳毒性的類型,從遺傳學(xué)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(jī)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(duì)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(duì)遺傳信息的改變,(三) 根據(jù)突變效應(yīng)方向分類,堿基置換(base substitution)：移碼突變(frameshift mutation) 三核苷酸重復(fù)(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(cuò)誤配對(duì)，某一堿基被另一堿基取代。 因僅牽涉到一個(gè)堿基對(duì)，又稱點(diǎn)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(guò)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(gè)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(fù)(triplet repeats) 又稱三聯(lián)體重復(fù)或三核苷酸擴(kuò)展,即一特定的三聯(lián)核苷酸被擴(kuò)增，重復(fù)數(shù)目超過(guò)正常數(shù)目 目前已知有三聯(lián)體重復(fù)的遺傳病：強(qiáng)直性肌營(yíng)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(zhǎng)的一段序列的重排分布,包括大段(一個(gè)堿基至數(shù)千個(gè)堿基)的插入、缺失、取代、復(fù)制、放大和倒位。這類損傷有時(shí)可波及兩個(gè)基因甚至數(shù)個(gè)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(fù)內(nèi)重復(fù)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(duì)遺傳信息的改變,同義突變: 是指沒(méi)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(guān),錯(cuò)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(wú)義突變 :是指某個(gè)堿基的改變使代表某個(gè)氨基酸

10、 的密碼子變?yōu)榈鞍踪|(zhì)合成的終止密碼子 導(dǎo)致多肽鏈在成熟之前終止合成,(三)根據(jù)突變效應(yīng)方向分類,正向突變:是指改變了野生型性狀的突變回復(fù)突變:是指突變體所失去的野生型性狀可以通 過(guò)第二次突變恢復(fù)（原點(diǎn)恢復(fù)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(fù)制前損傷）染色單體型畸變－僅涉及一條染色單體（DNA復(fù)制后損傷）,斷裂劑—凡能引起染色體斷裂的化學(xué)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(wú)著絲粒,無(wú)著絲粒環(huán),三輻體,四輻體,核內(nèi)復(fù)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(jī)制,致突變機(jī)制模式,DNA損傷－修復(fù)－突變,,遺傳毒性的機(jī)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(fù)制與轉(zhuǎn)錄受到阻礙,,遺傳毒性的機(jī)制,堿基損傷 DNA鏈損傷,(一)堿基損傷1. 堿基錯(cuò)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(cuò)配（ A:T G:C G:C A:T）,? 2-AP（2-氨基嘌呤） ?取代鳥(niǎo)嘌呤?互變異構(gòu) ?堿基置換 錯(cuò)配 (A:T G:C),,,,4.

13、堿基的化學(xué)修飾 ? 堿基氧化脫氨--亞硝基引起,DNA鏈上相鄰的嘧啶共價(jià)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(xué)物與DNA、蛋白等細(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(fù)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(duì)DNA構(gòu)象影響較小，易導(dǎo)致堿基錯(cuò)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(bǔ)鏈上的相應(yīng)堿基形成共價(jià)連接，致使復(fù)制時(shí)不能解鏈，復(fù)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(fù)或

15、易錯(cuò)修復(fù)，高度致突變，并致 染色體斷裂，易導(dǎo)致死性突變,3.交聯(lián)分子的形成,,DNA損傷的常見(jiàn)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(jià)結(jié)合DNA－DNA交聯(lián)DNA－蛋白質(zhì)交聯(lián) ……,二、DNA修復(fù),DNA損傷修復(fù)按其機(jī)制可分為:損傷修復(fù)機(jī)制（repair mechanisms）損傷耐受機(jī)制（tolerance mechanisms）,,

16、遺傳毒性的機(jī)制,(一) 損傷的逆轉(zhuǎn)—直接修復(fù),損傷修復(fù)機(jī)制(repair mechanisms),堿基切除修復(fù)(Base excision repair, BER),(二) 切除修復(fù),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(dòng),由多個(gè)酶共同完成主要針對(duì)DNA單鏈斷裂、小的堿基改變及氧化性損傷,核苷酸切除修復(fù)(Nucleotide excision repair, NER),最常見(jiàn)，是體內(nèi)識(shí)別 DNA 損傷最多的修復(fù)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(bǔ)切去的部分,（四）鏈斷裂的修復(fù),（五）交聯(lián)修復(fù),（六）跨損傷的DNA合成,（三）錯(cuò)配修復(fù)(mismatch repair,MMR),損傷耐受機(jī)制(tolerance mechanisms)-未清除DNA損傷，但可允許細(xì)胞存活,（一）重組修復(fù) －復(fù)制后修復(fù),（二）SOS修復(fù),在大腸桿菌，阻止DNA復(fù)制的損傷等可

18、誘發(fā)SOS修復(fù)系統(tǒng)，即誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生特殊的DNA聚合酶，以不嚴(yán)格的堿基配對(duì)使復(fù)制通過(guò)損傷部位通過(guò)SOS修復(fù)，細(xì)胞得以存活，但常導(dǎo)入錯(cuò)誤的堿基，故為易錯(cuò)修復(fù),常見(jiàn)的DNA損傷及其修復(fù)機(jī)制,錯(cuò)配修復(fù),切除修復(fù),直接修復(fù),雙鏈損傷,單鏈損傷,單個(gè)核苷酸的短補(bǔ)片添加,轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER,多個(gè)核苷酸的長(zhǎng)補(bǔ)片合成,全基因組NER,堿基切除修復(fù),核苷酸切除修復(fù),非同源性末端連接,同源重組,DNA修復(fù),,,,,,,,,,,,,,,,,三、整倍

19、體和非整倍體的形成,對(duì)DNA合成和修復(fù)有關(guān)的酶系統(tǒng)的作用對(duì)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(dòng),,遺傳毒性的機(jī)制,表觀遺傳突變(epimutation) 與突變,環(huán)境因素可以通過(guò)基因組的可遺傳的變異導(dǎo)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(jī)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(dǎo)致功能基因表達(dá)改變，引起表型的改變。,遺傳毒物的作用機(jī)制,致突變機(jī)制模式,DNA損傷－修復(fù)－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(fù)荷(genetic load):一個(gè)群體由于有害等位基因存在而使適應(yīng)度下降的現(xiàn)象。以人群中平均每個(gè)個(gè)體攜帶的有害基因的數(shù)量來(lái)表示 。,第五節(jié) 遺傳毒性的檢測(cè)方法,檢測(cè)基因突變 檢測(cè)染色體畸變 檢測(cè)DNA損傷,檢測(cè)基因突變,,細(xì)菌回復(fù)突變?cè)囼?yàn),哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因突

21、變?cè)囼?yàn),昆蟲(chóng)突變?cè)囼?yàn),哺乳動(dòng)物體內(nèi)突變分析,昆蟲(chóng)突變?cè)囼?yàn),?,檢測(cè)基因突變,分子生物學(xué)技術(shù),基因組測(cè)序基因芯片轉(zhuǎn)基因動(dòng)物突變檢測(cè)系統(tǒng)……,檢測(cè)染色體畸變,哺乳動(dòng)物體外細(xì)胞遺傳學(xué)分析,哺乳動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞遺傳學(xué)分析,?,?,檢測(cè)DNA損傷,DNA鏈斷裂程序外DNA合成(UDS)DNA加合物的檢測(cè)DNA修復(fù)的檢測(cè)姐妹染色單體交換（SCE） 單細(xì)胞凝膠電泳,第六節(jié) 遺傳毒性的評(píng)價(jià),根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象和目的選擇試驗(yàn)組合,,遺傳試

22、驗(yàn)組合的原則,試驗(yàn)組應(yīng)能檢測(cè)多個(gè)遺傳學(xué)終點(diǎn)指示生物應(yīng)包括幾個(gè)進(jìn)化階段，至少要包括原核細(xì)胞與真核細(xì)胞兩個(gè)系統(tǒng)應(yīng)包括體細(xì)胞和生殖細(xì)胞突變?cè)囼?yàn)應(yīng)包括體內(nèi)試驗(yàn)與體外試驗(yàn)體外試驗(yàn)應(yīng)包括加與不加代謝活化系統(tǒng),一些國(guó)家新藥遺傳毒性評(píng)價(jià)的項(xiàng)目,判斷化合物是否有致突變性的標(biāo)準(zhǔn),陽(yáng)性：在檢出任一遺傳學(xué)終點(diǎn)的生物學(xué)試驗(yàn)中 呈現(xiàn)陽(yáng)性反應(yīng)的物質(zhì)陰性：需檢測(cè)五種遺傳學(xué)終點(diǎn)的一系列試驗(yàn)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(duì)人具有致突變性還需做流行病學(xué)調(diào)查,,致突變物的分類標(biāo)準(zhǔn),參考資料,Mutation Research – Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis,Mutation Research – Reviews in Mutatio