外源化学物致突变作用

关于外源化学物致突变作用的知识梳理、它是研究环境中的化学、物理及生物等因素对遗传物质DNA和遗传过程的作用，以及人类接触致突变物可能引起的健康效的学科。

外源化学物致突变作用

• 概述
  • 遗传（heredity）
    • 生物物种以相对稳定的状态存在于自然界，并繁衍子代，这个过程称为遗传。
  • 变异（variation）
    • 生物体亲子之间或子代个体之间出现的不同程度的差异。
  • 突变（mutation）
    • 细胞内遗传物质结构发生的可以遗传的变异。
    • 自发突变（spontaneous mutation）
    • 诱发突变（induced mutation)
      • 化学、物理、生物等环境因素
  • 诱变剂或致突变物（mutagen） 遗传毒物（genotoxic agent 或 genotoxicity）
    • 能够引起突变的物质称为致突变物或诱变剂。 由于致突变物是作用于生物体的遗传物质，故又称为遗传毒物。
    • 致突变性（mutagenicity）
      • 化学物质或其他环境因素引发遗传物质发生突变的性质和能力称为致突变性。
      • 遗传毒性包括致突变性
    • 致突变作用（mutagenesis）
      • 指突变发生的过程或突变发生的状态，是致突变物和生物体的遗传物质相互作用的结果。
  • 遗传毒理学（genetic toxicology）
    • 它是研究环境中的化学、物理及生物等因素对遗传物质DNA和遗传过程的作用，以及人类接触致突变物可能引起的健康效应的学科。
• 突变类型
  • 基因突变（gene mutation）
    • 又称点突变（point mutation）
    • 碱基置换（base substitution）
      • 结果
        • 同义突变
        • 错义突变
        • 无义突变
      • 类型
        • 转换（transition）
          • 嘧啶（嘌呤）→嘧啶（嘌呤）
        • 颠换（transversion）
          • 嘧啶（嘌呤）→嘌呤（嘧啶）
      • 物质
        • 5-嗅尿嘧啶（5-BU）
          • A-T→G-C
        • 芥子气
          • G-C→A-T
    • 移码突变
      • 致死性突变
    • 密码子缺失或插入
  • 染色体畸变（chromosome aberration）
    • 有丝分裂中期可观察到
    • 概念
      • 是指染色体的结构改变，是遗传物质较大范围的改变，是染色体或染色单体断裂及断裂的不正确重接导致。
    • 类型
      • 染色体型畸变（chromosome-type aberration)
        • 涉及两条染色单体
          • 缺失
          • 插入
          • 倒位
          • 易位
          • 稳定性畸变
          • 环状染色体
          • 双着丝粒染色体
          • 不稳定性畸变
      • 染色单体型畸变（chromatid-type aberration)
        • 仅涉及一条染色单体，染色单体裂隙或断裂
  • 基因组突变（genomic mutation）
    • 基因组中染色体数目的改变
      • 整倍体畸变
        • 69
      • 非整倍体畸变
        • 45或47
• DNA损伤的修复
  • 直接修复
    • 光复活修复
      • 可见光使光复活酶活化修复紫外线诱发的嘧啶二聚体
    • 烷基转移酶修复
      • DNA中O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶主要修复DNA烷化损伤
  • 碱基切除修复
    • DNA糖基酶
      • 识别异常碱基，切断碱基与脱氧核糖的连接，无碱基核酸内切酶（AP核酸内切酶）将DNA链切断，由聚合酶及连接酶作用完成修复过程。
  • 核苷酸切除修复
    • 损伤识别 损伤两侧切开损伤链，释放出一个24-32核苷栓长度的低聚体 切除寡聚核苷酸 修复合成填补产生的缺口。 DNA连接酶封闭，恢复原有DNA序列
  • 双链断裂修复
  • 链内交联修复
• 致突变化学物及其作用机制
  • 化学物诱导基因突变和染色体畸变的主要靶分子是DNA，而诱导染色体数目改变的靶部位主要是有丝分裂或减数分裂的成分。
  • 以DNA为靶的直接诱变作用
    • 碱基烷化
      • 烷化剂对DNA和蛋白质具有强烈烷化作用，提供甲基或乙基等烷基与DNA共价结合。
      • 烷化活性：甲基化>乙基化>高碳烷基化
      • 表现为错配
      • 最常发生烷化作用的是鸟嘌呤的N-7位，其次是O-6位
    • 碱基类似物取代
      • 5-溴脱氧尿嘧啶取代胸腺嘧啶 2-氨基嘌呤取代鸟嘌呤
    • 碱基结构破坏
      • 对碱基产生氧化作用
      • 碱基置换
    • 平面大分子嵌入DNA链
      • 有些大分子能嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间，称为嵌入剂
      • 移码突变
    • 二聚体形成
      • 一些化学物和紫外线作用于机体或细胞后，DNA同一条链上的两个相邻的嘧啶核苷酸会发生共价连接，形成嘧啶二聚体。
    • 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B和苯并芘经生物活化形成环氧化物，然后与DNA共价结合，形成DNA加和物，从而诱发突变。
    • DNA-蛋白质交联分子形成
      • 能够引起DNA和蛋白质的共价结合，形成稳定的DNA-蛋白质交联物而造成突变。
  • 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
        • 作用于纺锤体、中性粒。如秋水仙碱、长春碱。
    • 对DNA合成和复制相关酶的影响
    • DNA修复抑制
• 致突变作用的危害
  • 体细胞突变的后果
    • 体细胞突变会引起肿瘤、致畸、老化、动脉粥样硬化
    • 基因突变主要发生在原癌基因和抑癌基因，原癌基因经点突变或染色体畸变可转变成活化的癌基因。
  • 生殖细胞突变后果
    • 致死性突变
      • 显性致死
      • 隐性致死
    • 非致死性突变
      • 显性遗传病（显性存活突变）
      • 隐性遗传病
      • 出生缺陷、基因负荷
        • 先天性疾病
  • 遗传损伤对人类基因库的影响
    • 人类基因库（gene pool）是指人群生殖细胞内所具有的能传给下一代的所有基因总和。
    • 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称为遗传负荷（genetic load）或突变负荷（mutation load）
    • 遗传负荷的增加将引起人群发病率和死亡率上升
  • 影响化学物致突变作用的遗传因素
    • O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶（MGMT）多态性可解释某些个体对烷化剂作用特别敏感
• 化学物致突变作用检测
  • 致突变实验的分类
    • 原核生物测试
      • 细菌回复突变
    • 真核生物测试（如：哺乳动物红细胞微核试验）
      • 体外测试（如：培养细胞胸苷激酶Tk）
      • 体内测试(如：啮齿类动物骨髓来源细胞微核试验)
  • 化学物致突变检测需要遵循的基本原则
    • 主要的遗传毒理学检测方法
      • 广泛采用的基因突变的检测实验
        • 鼠伤寒沙门菌回复突变实验（Ames实验）
      • 哺乳动物染色体损伤检测
        • 啮齿类动物骨髓细胞中期染色体分析或者微核实验
    • 人用药品注册技术要求
      • 组合1
        • 利用细菌测试基因突变
        • 利用细胞遗传学测试检查染色体损伤
          • 均为体外
            • 体外中期染色体畸变实验
            • 体外微核实验
            • 体外小鼠淋巴瘤Tk基因突变实验
        • 体内毒理学实验
          • 微核实验
          • 中期染色体畸变实验
      • 组合2
        • 利用细菌测试基因突变
        • 体内实验检查两种组织的致突变作用
          • 啮齿类动物造血细胞的微核实验
          • 肝脏DNA断裂实验
    • 常用的遗传毒理学实验
      • 细菌回复突变实验
        • 观察细菌有无生长即可
      • 染色体畸变实验
      • 微核实验
        • 在有丝分裂过程中，染色体片段，或者完整染色体在分裂末期未被分配到子细胞的细胞核中，从而形成的由生物膜包被的圆形或椭圆形结构，被称为微核（micronucleus）。
      • 姐妹染色体交换实验
      • 显性致死实验
      • 彗星实验（又称为单细胞凝胶电泳实验）
        • 是一种常用的检测DNA单、双链断裂和碱性不稳定位点的方法
        • 可以检测体外培养细胞或者从动物体内直接分离出来的细胞
        • 对于致突变化学物敏感的细胞，形成的DNA单、双链断裂和碱性不稳定位点会引起DNA迁移速率增加，从而形成慧尾状结构。
      • 正向基因突变实验
      • 程序外DNA合成实验
      • γ-H2AX与DNA双链断裂检测
      • 高通量测序技术在遗传毒理学中的应用