导图社区 外源化学物致突变作用
遗传生物物种通过各种繁殖方式保证世代间生命延续的过程,是保持其种族特性的根本,遗传的稳定是相对的。
编辑于2021-12-25 22:53:52外源化学物致突变作用
第一节 概述
遗传(heredity):生物物种通过各种繁殖方式保证世代间生命延续的过程,是保持其种族特性的根本,遗传的稳定是相对的
变异(variation):亲子之间或子代个体之间出现不同程度的差异。原因:遗传物质自我复制过程中可能发生改变;个体发育受内外环境条件变化的影响→性状的发育
突变(mutation):细胞内遗传物质结构发生的可以遗传的变异,可分为自发突变(发生过程长、频率低,与生物/物种进化有关)和诱发突变(发生过程短,频率高,可为人类利用—新品种培育、选择、改良,也可能对人有害)
致突变作用(mutagenesis):指外来因素,特别是化学物引起细胞核遗传物质发生改变,而且该改变可随同细胞分裂过程而传递的能力
致突变物(mutagen):又称诱变剂,能够引起生物体遗传物质发生改变的化学物质或任何环境因子。分为化学性(化学毒物)、物理性(电离辐射、紫外线)、生物性(病毒感染)
致突变性(mutagenicity):指引起遗传物质发生突变的能力,在一个实验群体中突变率可以定量测量
遗传毒性(genatic toxicity):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各种不同的效应
遗传毒物(genotoxic agent/genotoxicant):引起生物体基因组遗传物质改变和产生毒性效应的外源因素
遗传毒理学(genetic toxicology):研究化学、物理因素及生物因素等对遗传物质(DNA)及活细胞的遗传过程的作用,以及人类接触突变物可能引起健康效应的学科
遗传毒理学的主要任务:①应用检测系统发现和探究致突变物;②研究致突变物的致突变作用及其机制;③提出评价致突变物健康危害的方法
第二节 突变类型
一、基因突变
定义:基因中DNA碱基序列的变化。常发生在基因的某一特定位点→点突变
1、碱基置换
定义:DNA多核苷酸链上某个碱基被另一种碱基取代,导致DNA碱基序列的日常
分类:转换(嘌呤→嘌呤;嘧啶→嘧啶)和颠换(嘌呤→嘧啶;嘧啶→嘌呤)
4种影响
同义突变:CDS三联密码子中的一个碱基被另一个碱基置换,密码子的意义没有改变,即编码同一种氨基酸,表型不改变。一个氨基酸一般有2~6个密码子
错义突变:DNA分子中的碱基被置换后形成新的密码子,导致所编码的氨基酸种类发生改变
无义突变:某个碱基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子(UAG、UAA、UGA),肽链合成提前终止
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,使合成的肽链延长到第二个终止密码时才结束
2、移码突变
定义:DNA碱基序列中插入或缺失一个或几个碱基(3或3的倍数除外),于是按三联密码连续阅读的规则,该部位以后的密码子组成全部改变,指导合成的多肽链也全部发生改变
基因产物有明显的改变,较易成为致死性突变
3、密码子插入或缺失
基因突变中,减少或增加的碱基对是3
基因产物肽链中减少或增加一个氨基酸
后果与碱基置换类似
二、染色体畸变
定义:指染色体的结构改变,是遗传物质较大范围的改变,由染色体或染色单体断裂及断裂的不正确重接所致,可用光学显微镜在细胞有丝分裂中期相观察到
染色体型畸变:缺失、插入、重复、倒位、易位、环状染色体、双着丝粒染色体
染色单体型畸变:仅涉及一条染色单体
稳定性染色体畸变可通过细胞分裂传给子代,不稳定的畸变丧失了重要的遗传物质或造成有丝分裂的机械障碍,常导致细胞死亡
三、基因组突变:基因组中染色体数目的改变,细胞分裂或染色体分离出现障碍,可表现为整倍性畸变和非整倍性畸变
第三节 DNA损伤修复
一、直接修复
光复活修复:复制前修复,依赖光,在光裂合酶作用下可修复紫外线诱发的嘧啶二聚体,使其在原位上恢复为单体
烷基转移酶修复:烷基转移酶,保护细胞免受烷化剂的毒性影响
二、碱基切除修复:DNA糖基酶作用于受损的DNA,识别异常的碱基,切断碱基与脱氧核糖的连接,使受损的碱基脱落,留下一个无嘌呤或无嘧啶位点。特异性很强,是细胞对碱基氧化损伤的主要防御系统
三、核苷酸切除修复:连续的酶促反应,最常见的修复机制,基本上能修复所有种类的DNA损伤。转录基因的DNA损伤较基因组的其他DNA损伤更优先得到修复,保证了细胞转录过程的完整性
四、双链断裂修复(DSB repair):同源重组和非同源性末端连接
五、交联修复:无误交联修复、易误交联修复
第四节 致突变化学物及其作用机制
一、以DNA为靶的直接诱变作用
碱基烷化
烷化剂:硫酸二甲酯、甲基磺酸乙酯、氮芥、硫芥等
烷化剂分子的一个或多个活性烷基(甲基或乙基)可直接加到碱基N或O上而影响其结构,导致碱基错配,如鸟嘌呤G烷化后不再与胞嘧啶C配对,而改为与T配对
烷化剂使嘌呤脱落,使DNA链断裂或交联。活性:甲基化>乙基化>高碳烷基化
碱基类似物取代:5-溴脱氧尿嘧啶(5BrdU)取代胸腺嘧啶,2-氨基嘌呤(2-AP)取代鸟嘌呤
碱基结构破坏:对碱基产生氧化作用,破坏碱基结构,还可引起键断裂。如亚硝酸盐、自由基、羟胺、有机过氧化物、甲醛和氧基甲酸乙酯等
平面大分子嵌入DNA链:嵌入剂能嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸之间,如吖啶橙、二氨基吖啶、吖啶衍生物等。可引起阅读框的改变,造成移码突变。
二聚体形成:化学物和紫外线,DNA同一条链相邻两个嘧啶核苷酸共价连接形成嘧啶二聚体,使氢键减弱,影响DNA复制和转录,引起细胞死亡
DNA加合物形成:许多化学物或其活化产物是亲电子剂,易与核酸等生物大分子中的亲核基团发生共价结合,形成加合物。黄曲霉素、BaP、烷化剂等。
DNA-蛋白质交联分子形成:烷化剂、BaP、砷化合物、醛类化合物、镍、铬等引起DNA和蛋白质的共价结合,使DNA构象、功能等发生变化
二、不以DNA为靶的间接诱变作用
干扰细胞分裂过程:染色体数目改变主要涉及细胞分裂过程的改变,一些化学物作用于纺锤体、中心粒或其他核内细胞器,从而干扰细胞分裂过程
对DNA合成和复制相关酶的影响:对DNA合成和修复有关酶系统的作用可间接损伤DNA,诱发基因突变或染色体畸变。(DNA高保真复制受损)
DNA修复抑制:一些抑制DNA修复功能的化合物,如咖啡因、吖啶黄素、普鲁卡因、铍和锰等,可作用于酶促防错修复系统而诱发突变
第五节 致突变作用的危害
一、体细胞突变后果:可引起肿瘤、致畸、动脉粥样硬化、衰老、糖尿病、高血压等,但不影响下一代。p53基因突变与人类50%的肿瘤有关
二、生殖细胞突变后果:可影响后代和遗传
致死性突变
显性致死:突变的精子不能受精,或合子在着床前死亡或着床后早期胚胎死亡,对基因库不会产生影响
隐性致死:纯合子或半合子才能出现死亡效应
非致死性突变:显性或隐性遗传病
群体:基因库(某一物种的生育年龄群体于特定时期能将遗传信息传至下一代的基因的综合)的遗传负荷(一种物种的群体中每一个体携带的可遗传给下一代的有害基因的平均水平)产生不良影响
三、遗传损伤对人类基因库的影响
人类基因库:人群生殖细胞内所具有的能传给下一代的所有基因总和
遗传负荷/突变负荷:人类每一个体携带的可遗传给后代的有害基因的平均频率或水平
四、影响化学物致突变作用的遗传因素
遗传多态性
定义:衡量遗传变异的数据,即群体中多态基因的比例。当一个基因座最常见的等位基因频率不超过0.95时,这个基因座即是多态性
代谢酶遗传多态性:细胞色素P450、谷胱甘肽硫转移酶、环氧水化酶
DNA损伤修复酶的多态性:MGMT、PARP
生活方式:吸烟、饮酒、营养缺乏或不平衡、年龄
第六节 化学物致突变作用的检测
致突变实验的目的:致突变性的鉴定(化学物引起细胞DNA损伤的能力)、预测潜在的致癌物(是否引起肿瘤)、遗传毒物的监测与评价(如生殖细胞遗传物质受损导致出生缺陷)
原则:通常,先用原核细胞或体细胞的体外试验按遗传学终点合理配套进行试验,对有阳性结果的遗传学终点验证其在体内的真实性,再行选用生殖细胞致突变试验进行遗传危害评价
细菌回复突变实验
细菌因遗传背景清楚,生长快速,是基因突变检测的优良指示生物
营养缺陷型菌株:仅在特定营养元素存在时存活。常用鼠伤寒沙门菌组氨酸营养缺陷型菌株(Ames实验)、大肠杆菌色氨酸营养缺陷型菌株
原理:当使用具有致突变作用的化学物处理营养缺陷型菌株时,其中的一些细菌能够回复突变为原养型菌株,从而能在氨基酸缺乏的培养基中形成克隆
微核实验
染色体畸变实验
见《毒理学实验技术与方法》
单细胞凝胶电泳(彗星实验):在高pH值环境中,断裂的DNA分子由于带负电在电场中向阳极伸展,形似彗星尾。通过测定DNA迁移部分的光密度或迁移长度可定量测定DNA损伤程度。DNA受损越严重,含断裂片段越多,在彗星尾中出现的DNA就越多,表现为尾长和尾部荧光强度增加;而未受损的细胞DNA在电泳中仍停留在原位形成固形荧光团
体外试验的活化系统:哺乳动物细胞—如大鼠肝原代细胞;S9—含混合功能氧化酶;纯化酶和基因工程