第六章致突变作用

(三) 大段损伤
大段损伤是DNA链大段缺失或插入。这种损伤有时 可跨越两个或数个基因，涉及数以千计的核苷酸。 缺 失的片段远远小于光学显微镜可观察到的染色体缺失， 故称小缺失。它往往是DNA断裂的结果，有时在减数 分裂过程中发生错误联合和不等交换也可造成小缺失。 小缺失通常可引起突变。 小缺失游离出来的DNA片段可整合到另一染色体 某一位置而形成插入。每次整合都可能发生突变。小 缺失的片段也可倒转后仍插入原来位置而造成基因重 排。
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还有些化学物质可在体内形成有机过氧化物或自 由基，如甲醛、氨基甲酸乙酯和乙氧咖啡碱等，可间 接使嘌呤的化学结构破坏，容易出现DNA链断裂。
4、 平面大分子嵌入DNA链 `
有些大分子能以静电吸附形式嵌入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，它们多数是多环的平 面结构，特别是三环结构，其长度为 6.8102nm，恰好是DNA单链相邻碱基距离的两 倍。如果嵌入到新合成的互补链上，就会使之 缺失一个碱基；如果嵌入到模板链的两碱基之 间，就会使互补链插入一个碱基。无论多或少 一个碱基都造成移码突变。
3、 致突变物改变或破坏碱基的化学结构
有些化学物可对碱基产生氧化作用，从而破坏或改变碱基的 结构，有时还引起链断裂。 例如，亚硝酸根能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化性脱氨，相应 变为次黄嘌呤和尿嘧啶。羟胺能使胞嘧啶C－6位的氨基变成羟氨 基。这些改变都会造成转换型碱基置换。但是亚硝酸虽然也能使 鸟嘌呤变为黄嘌呤，但是由于黄嘌呤的配对性能与鸟嘌呤一致， 故并不发生碱基置换。
一、基因突变
基因突变即遗传物质在分子水平上的改变， 有碱基置换(base substitution)移码(frame shift) 和大段损伤。
(一) 碱基置换
碱基置换是某一碱基配对性能改变或脱落而引起的 突变。此时首先在DNA复制时会使互补链的相应位点配 上一个错误的碱基，即发生错误配对。这一错误配上的 碱基在下一次DNA复制时却能按正常规律配对，于是一 对错误的碱基置换了原来的碱基对，亦即最终产生碱基 对置换或简称碱基置换。原来的嘌呤被另一种嘌呤置换， 或原来的嘧啶被另一种嘧啶置换，都称为转换；原来的 的嘌呤被任一种嘧啶置换，或与此相反，原来的嘧啶被 任一种嘌呤置换，都称为颠换。无论是转换还是颠换都 只涉及一对碱基，是名符其实的点突变，其结果可造成 一个三联体密码子的改变；此时可能出现同义密码、错 义密码或终止密码。由于错义密码所编码的氨基酸不同， 于是基因表达产物的蛋白质有可能受到某种影响，终止 密码可使所编码的蛋白质肽链缩短。
(二) 移码
移码是DNA中增加或减少了一对或几对不等于3的倍数 的碱基对所造成的突变。由于碱基序列所形成的一系列三 联体密码子相互间并无标点符号，于是从受损位点开始密 码子的阅读框架完全改变，故称移码。 其结果是： 从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的氨基酸序 列完全改变； 也可能使读码框架改变其中某一点形成无义密码(终止 密码），于是产生截短了的蛋白质产物，及一个无功能的 肽链片段。 移码较易成为致死性突变。 UAG、UAA、UGA
2．DNA加合物形成DNA adducts
无论如何，拟紫外线断裂剂的作用必须经过一个S期的作用之后才呈现出来。所
以又称为S期依赖断裂剂（S-dependent clastogen）。
DNA复制
少数化学断裂剂与电离辐射一样，可诱发DNA双链断裂，故称为拟 放射性断裂剂。所以如在S期已发生复制之后或G2期发生作用， 在中期相呈现染色单体型畸变，而在G0期和G1期作用，则经S期 复制，就会在中期相呈染色体型畸变。由于拟放射性断裂剂能在 细胞周期任一时期发生作用,并在立即到来的中期相观察到染色体 结构改变，故称S期不依赖断裂剂。 在任何情况下见到的染色单体型畸变都将在下一次细胞分裂 时衍生为染色体型畸变。
(二) 染色体数目异常
各种生物都有其固定的染色体数目和核型。以动 物正常体细胞染色体数目2n为标准，染色体数目异常 可能表现为整倍性畸变和非整倍性畸变。 整倍性畸变可能出现单倍体、三倍体或四倍体。 超过二倍体的整倍性畸变也统称为多倍体。 非整倍性畸变系指比二倍体多或少一条或多条染 色体。例如：缺体是指缺少一对同源染色体，单体或 三体系指某一对同源染色体相应地少或多一个，四体 则指其比同源染色体多一对染色体；于是在染色体数 目上相应为2n-2、2n-1，2n+1和2n+2。
易位的类型——平衡易位与不平衡易位
•相互易位：也称平衡易位，是指两条非同源染色体互
相交换染色体片段的易位。较常见，也研究得较多。
•单方易位：不平衡易位：也称移位（shift），是指一
条染色体的片段转移到另一非同源染色体上的易位。
2.染色体单体畸变
指某一位点的损伤只涉及姐妹染色单体中的一条。 (1)染色单体裂隙、断裂和缺失： 含义与染色体型畸变的裂隙、断裂和缺失基本相 同，不同的是染色体中一条染色单体的结构改变。 染色单体断片在下一次细胞分裂中也可滞留于细胞 质而成为微核。
二、染色体畸变 染色体畸变包括染色体结构异常和数目异常。
(一) 染色体结构异常 染色体结构异常是染色体或染色体单体受损而发生断裂，且断端不发生 重接或虽重接却不在原处。能使染色体或染色单体发生断裂的物质称为 断裂剂(clastogen)，这种作用的发生及其过程称为断裂作用。断裂作用的 关键是诱发DNA链断裂。大多数化学断裂剂像紫外线一样，只能诱发DNA 单链断裂，故称为拟紫外线断裂剂。这种断裂需要经过S期的复制，才能在 中期相细胞出现染色单体型畸变（ chromosome–type aberration)
（二）DNA链损伤
1．二聚体的形成
当细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学变化，其主要产生 环丁烷嘧啶二聚体。这些损伤可阻止DNA的复制，并引起细胞死亡。 紫外线和许多化学物致突变性表明突变作用作为细胞过程的复杂性， 不仅涉及已改变碱基的配对特异性，而且还涉及与复制和修复有关的细胞 机制相互作用。 辐射的致突变机制有： 使连接A-T、C-G之间的氢键断裂；DNA分子的一个或两个键中的糖— 磷酸基之间断裂； DNA同一条链上，相邻的嘧啶形成二聚体； 水的电离，可产生自由基，也可引起突变。此外，辐射可形成DNA双链 断裂或单链断裂，从而引起缺失、倒位、易位，甚至碱基破坏，情况比较 复杂。
(2) 染色单体交换（ chromatid exchange) 是两条或多条染色单体断裂后变位重接的结 果。在同一染色体内的染色单体交换称为内换， 在不同染色体之间的染色单体交换称为互换。
(3) 姐妹染色单体交换(sister chromatid exchange, SCE)： 当使用差示染色法时，可见到染色体的两条姐 妹染色单体染色一深一浅。如某一染色体在姐妹染 色单体间发生同源节段的内换，就会使两条姐妹染 色单体都出现深浅相同的染色，但同源节段仍然是 一深一浅。这种现象称为SCE。1978年ISCN(人类 细胞遗传学命名国际体制)将SCE列入染色单体型 畸变的范围，但其发生机理目前倾向于与染色单体 断裂无关。 原理 ：半保留复制
DNA复制
由于拟放射性断裂剂能在细胞周期任一时期发生作用, 并在立即到来的中期相观察到染色体结构改变， 故称S期不依两条染色单体同一位点受损后所产生 的结构异常，可分为下列类型： (1) 裂隙和断裂(gap and breake)： 是指染色体上狭窄的非染色带。过去以带宽超过 染色单体宽度为断裂，不超过者为裂隙。此种线状连 接多排列成直线或圆滑弧形。无线状连接者为断裂 (break)，保持线状连接者为裂隙（gap)。一般认为 裂隙属于非染色质损伤。裂隙一向不计入畸变范围。
•缺失的类型——末端缺失与中间缺失
例如：猫叫综合征（46，5p-），慢性骨髓性白血 病（46，22q-，也称费城染色体，ph）。
(3) 环状染色体(ring chromosome)： 染色体两臂各发生一次断裂，其带有着丝粒的节 段的两断端连接形成一个环时，称为环状染色体；如 果是一条较长的无着丝粒断片的两端连接，就形成无 着丝粒环。
(4) 倒位(inversion)：
当某一染色体发生两次断裂后，其中间节段倒转 180再重接，称为倒位。
倒位的类型——臂内倒位与臂间倒位
臂内倒位：不包括着丝粒区域的倒位。
臂间倒位：包括着丝粒区域的倒位。
(5) 插入和重复(insertion and duplication)：
当一个染色体发生三处断裂，带有两断端的断片 插入到另一臂的断裂处或另一染色体的断裂处重接起 来，称为插入。如此时有缺失的染色体和有插入的染 色体是同源染色体，且分别有一处断裂发生于同一位 点，则插入将使该染色体连续出现两段完全相同的节 段，此时称为重复。
(2) 无着丝粒断片和缺失 (acentric fragment and deletion)： 一个染色体发生一次或多次断裂而不重接，并且这些 已断裂的节段远远分开，就会出现一个或多个无着丝粒断 片和一个缺失了部分染色质并带有着丝粒的异常染色体， 后者称为带着丝粒断片。常将无着丝粒断片简称为断片 (acentric fragment )，在下一次细胞分裂时断片因无着 丝粒，故不能进入分裂的核中而滞留在细胞质中，称为微 核(micronucleus,MN，1/5-1/20)。如断片很小，小于 染色单体宽度，则称为微小体(minute body)。
第二节 化学诱变的分子机理
一、直接以DNA为靶的诱变 （一）碱基损伤
1、 碱基类似物取代
有些化学物的结构与碱基非常相似，称碱基类似物。 它们能在S期中可与天然碱基竞争，并取代其位置。例如 5－溴脱氧尿嘧啶核苷（Brdu）能取代胸腺嘧啶，2－氨 基嘌呤(2-AP）能取代鸟嘌呤。
2、 烷化剂的影响
烷化剂是对DNA和蛋白质都有强烈烷化作用的物质。 烷化剂的种类很多，最常见的有烷基硫酸酯、N－亚硝 基化合物、氮芥和硫芥以及卤代亚硝基脲等。各类烷化 剂其分子上的烷基各不相同，因而烷化活性有别，在一 般情况下甲基化＞乙基化＞高碳烷基化。 目前认为最常受到烷化的是鸟嘌呤的N－7位，其 次是O－6位。而腺嘌呤的N－1、N－3和N－7也易烷化。 目前认为鸟嘌呤的N－7位发生烷化后可导致鸟嘌 呤从DNA链上脱落，称为脱嘌呤作用。致使在该位点上 出现空缺，即碱基缺失，其结果是移码突变。即使在复 制时空缺位上随机配上一个碱基 ，也会导致转换型或 颠换型碱基置换。