7 第七章 外源化学物致突变作用

第七章外源化学物致突变作用【教学目的】在掌握突变的概念、类型和后果的基础上，学习化学致突变的发生机理和机体的反应，学习如何检测化学致突变作用，怎样评价遗传危害。

【教学要求】1．掌握：基本概念(突变、自发突变与诱发突变、致突变作用与致突变物)；化学毒物致突变类型(基因突变、染色体畸变)；致突变试验的遗传性终点和试验组合的选择；Ames试验；微核试验；姐妹染色单体交换试验。

2．熟悉：化学毒物致突变机制(直接以DNA为靶的突变、不以DNA为靶的突变)；突变的不良后果(体细胞突变的不良后果、生殖细胞突变的不良后果)；哺乳动物细胞正向突变试验、染色体畸变分析、显性致死试验、果蝇伴性隐性致死试验、程序外DNA合成试验。

3．了解：非整倍体和多倍体突变【教学内容】1．基本概念和遗传学基础：突变、自发突变与诱发突变；致突变作用与致突变物。

2．化学毒物致突变的类型：基因突变、染色体畸变、非整倍体和多倍体。

3．化学毒物致突变作用的机制及后果：直接以DNA为靶的突变；不以DNA为靶的突变；突变的后果。

4．机体对致突变作用的影响：DNA损伤的修复；遗传因素对致突变作用的影响。

5．观察化学毒物致突变作用的基本方法：观察项目的选择；常用的致突变试验（Ames试验、微核试验、姐妹染色单体交换试验）；致突变试验中的一些问题。

第一节概述一、基本概念（掌握）生物在世代繁衍中存在着遗传与变异，它是普遍存在于生物界的生命现象。

生物物种可以通过各种繁殖方式来保证世代间生命的延续，这个过程称为遗传。

遗传是保持生物种族特性的根本。

遗传的稳定是相对的，一方面生物的遗传物质在自我复制过程中有可能发生改变；另一方面生物个体发育在受到复杂变化的内外环境条件影响下，性状的发育可能有所不同。

于是在亲子之间或于代个体之间出现不同程度的差异，这种差异称为变异（variation）。

变异是生物物种推陈出新的来源。

造成生物变异的原因有：①亲代个体杂交产生子体，由于重组而发生；②由于基因突变而发生，它是新基因产生的根本来源；③由于生物的染色体组成或细胞质发生变化而产生。

1．突变（mutation）：遗传结构本身的变化及其引起的变异称为，突变实际上是遗传物质的一种可遗传的变异。

①自发突变（spontaneous mutation）②诱发突变（induced mutation）举例：有益的突变：花，情人节，蓝色妖姬杂交水稻；大铃棉另一方面，突变也会引起人类键康的危害．有害的突变：物理因素（如X射线）化学因素（如亚硝酸盐）遗传毒理学：研究化学性和放射性物质的致突变作用以及人类接触致突变物可能引起的健康效应。

主要研究致突变的作用机制，应用检测系统发现和探究致突变物，提出致突变物健康危害的方法。

2．致突变作用（mutagenesis）：广义概念是外来因素，特别是化学因子引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，而且此种改变可随同细胞分裂过程而传递。

简单地说，突变的发生及其过程即为致突变作用。

3．基因突变（gene mutation）一个或几个DNA碱基对的改变。

4．染色体畸变（chromosome aberration）：到染色体的结构及数目改变。

5．致突变物（mutagen ）：能够引起突变的物质。

遗传毒性：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效应。

包括致突变性。

可能转变为突变，也可能被修复。

致突变性：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检测。

二、遗传学基础（了解）1．DNA与基因（1）基因（gene）：是DNA分子中最小的完整功能单位。

（2）基因组（genosome）：细胞或生物体的一套完整单体的遗传物质称。

2．染色质与染色体在间期细胞的细胞核中，通过光镜可见一种能被碱性染料着色的物质，即染色质（chromatin）。

它由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量的RNA组成，形似串珠状的复合体。

在间期细胞核中，一般没有染色体结构，只有在细胞分裂时，染色质才螺旋化并折叠成染色体（chromosome）。

（提问：故染色质与染色体是由相同物质组成的吗？）3．体细胞和生殖细胞4．基因型与表型基因型是性状发育的内因，是表型形成的根据。

表型指在发育过程中由基因所控制的生物性状的具体表现。

5．细胞周期、有丝分裂与减数分裂第二节化学毒物致突变的类型遗传毒理学家主要关注三类遗传学损伤，即基因突变、染色体畸变及染色体数目改变。

一、基因突变基因突变指基因核苷酸序列或数目的改变。

1．碱基置换（base substitution ）指某一碱基配对性能改变或脱落所致的突变。

转换（transition）：嘌呤置换另一嘌吟，或者是嘧啶置换另一嘧啶。

颠换（transversion）：嘧啶换成嘌吟，或者嘌呤换成嘧啶。

二、染色体畸变染色体畸变（chromosome aberration）指染色体的结构改变，它是指遗传物质大的改变，一般可用光学显微镜检查适当细胞有丝分裂中期的染色体来发现。

细胞学检测可发现染色体断裂及由断裂所致的各种重排。

畸变涉及复制染色体中两条染色单体中的一条，称为染色单体型畸变（chromatid-type aberration），而涉及两条染色单体，称为染色体型畸变（chromosome-type aberration）。

染色体结构异常的类型：①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，且这些断裂的节段远远分开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丝粒的异常染色体。

细胞再次分裂时会形成微核或微小体。

缺失：染色体上丢失了一个片段。

②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成一个环，称之为环状染色体。

③插入和重复（insertion and duplication）一条染色体的某一节段插入另一染色体中称为插入（insertion，用ins表示）。

染色体上个别区段多出一份，称为重复（duplication，用dup表示）。

④倒位（inversion ）：一个染色体片段被颠倒了，如颠倒的片段包括着丝点，称为臂间倒位（pericentric inversion）；如不包括着丝点则称为臂内倒位（perecentric inversion）。

⑤裂隙和断裂（gap and brake）：都是指染色体上狭窄的非染色带，其所分割的两个节段保持线状连接为裂隙，否则为断裂。

⑥易位（translocation）：一个染色体片段的位置发生改变。

三、非整倍体和多倍体（aneuploidy）and （polyloid）非整倍体指增加或减少一条或几条染色体；例如，Down氏综合征。

多倍体指染色体数目成倍增加。

例如，人类体细胞正常为二倍体（2n），有46条染色体。

如果有69条染色体，则定义为多倍体，此为三倍体。

第三节化学毒物致突变作用的机制及后果一、引起突变的DNA变化（一）碱基损伤1．碱基错配2．平面大分子嵌入DNA链3．碱基类似物取代4. 碱基的化学结构改变或破坏（二） DNA链受损1．二聚体的形成2．DNA加合物（DNA bulky adducts）形成3．DNA-蛋白质交联物（DNA-Protein crosslinks，DPC）形成二、引起突变的细胞分裂过程的改变非整倍体和多倍体的产生不同于其他致突变作用，因为它们涉及不同的细胞靶分子。

非整倍体和多倍体是由于染色体分离异常而产生的。

主要涉及细胞分裂过程的改变如纺锤体，微管蛋白的合成与聚合，微管结合蛋白合成与功能发挥，细胞分裂纺锤纤维的功能发挥，着丝粒与之有关的蛋白质作用，极体复制与分离，减数分裂时同源染色体联合配对和重组等。

非整倍体细胞由正常细胞未分裂而产生，其原因有同源染色体减数分裂I期不能适当分离，或者姐妹染色体在减数分裂Ⅱ期，或有丝分裂期不能适当分离。

不分裂的结果是纺锤体的一极接受了同源或两个染色单体，而另一极则没有。

假定只有一条染色体或一对染色体不分离，在于细胞中将多出一条或一对染色体，而在另一于细胞中将少一条或一对染色体。

与非整倍体不同，多倍体涉及整个染色体有三种情况：①在细胞增殖过程，细胞周期正常染色体复制，但在接下来的有丝分裂期，染色体分裂时，染色体单体不能分离，即产生一个4倍体细胞。

②由于接受分裂错误，配子为2倍体，而不是单倍体，所以会产生一个多倍体的受精卵。

③如一个卵子被一个以上精于授精，也将产生多倍体。

非整倍体与多倍体产生机制是相似的，可能有程度上不同。

例如，对纺锤体形成的干扰，如完全阻止，即形成多倍体，如部分阻止，则形成非整倍体。

当然，对于它们产生的生化机制已有一定研究，主要是有关纺团体的，现介绍如下：1．与微管蛋白二聚体结合2．与微管上的巯基结合3．已组装好的微管的破坏4．中心粒移动受阻5．其他作用三、其他的改变对DNA合成和修复有关的酶系统作用可间接导致DNA损伤，诱发基因突变或染色体畸变。

1．DNA的高保真复制需多种酶类的参与，并且在基因调控下进行，其过程中的任何一个环节损伤，将影响DNA复制的高保真性，有可能引起突变。

2．修复四、突变的后果突变的后果，取决于化学毒物所作用的靶细胞，是生殖细胞，还是体细胞。

如是体细胞，其影内仅能在宜接接触该物质的个体身上表现出来，而不可能遗传到下一代；如是生殖细胞，其影响才有可能遗传到下一代。

图7-1显示两类细胞发生突变的可能后果。

基因突变和染色体畸变对于人类健康的重要意义在于其在遗传性疾病和肿瘤中所起的作用，这里将重点讨论。

1．生殖细胞突变基因突变对于健康的意义在于与许多按孟德尔定律遗传的疾病有关。

（1）基因突变除了引起按孟德尔遗传规律遗传的疾病外，在人类许多复杂病因的疾病中，遗传因素也起着部分作用。

即增加下一代基因库（gene pool）的遗传负荷（genetic load）。

基因库指某一物种在特定时期中能将遗传信息传至下一代的处于生育年龄的群体所含有的基因总和。

遗传负荷指一种物种的群体中每一个携带的可遗传给下一代的有害基因的平均水平。

例如，在婴儿中，约有3％～6％受到先天性畸形的影响，在人群中，那些发病较晚的疾病．如心脏病，高血压及糖尿病．遗传因素影响的比例可高达60％。

（2）在遗传性疾病中，还有一个原因是染色体异常。

（3）突变除引起遗传病外，还可造成生殖毒性，表现为胚胎死亡、畸胎、胚胎功能不全及生长迟缓。

生殖毒性可由亲代生殖细胞突变所致，也可由胚胎细胞突变所致。

2．体细胞突变体细胞突变后果有肿瘤、衰老、动脉粥样硬化及致畸等，最受注意的是肿瘤。

突变与癌发生过程有关的重要证据是来自于癌基因和抑癌基因的分子生物学研究。

当原癌基因突变为癌基因后，可刺激细胞异常增殖，而抑癌基因的突变，可导致细胞增殖失去抑制作用。