毒理学 环境有害因素致突变作用

第六章环境有害因素致突变作用

第一节基本概念和类型

一、基本概念

生物的个体和各代之间存在着种种差异，我们通常称之为变异（variation ）。基于染色体和基因的变异才能够遗传，而遗传变异称为突变（mutation）。突变的发生及其过程就是致突变作用（mutagenesis）。突变可分为自发突变(natural或sporadic mutation)和诱发突变(induced mutation）。各物种的自发突变频率较低, 而诱发突变比较常见, 诱发突变指由于物理、化学、生物等环境因素引起的突变。至今, 已发现相当数量的外源化学物能损伤遗传物质，从而诱发突变，这些物质称为致突变物或诱变剂（mutagen），也称为遗传毒物(genotoxic agent）。

二、突变的类型

按作用后果或遗传物质损伤的性质等可将诱发突变分类。一般根据遗传物质的损伤能否在显微镜下直接观察到分为染色体畸变(chromosome aberration)和基因突变(gene mutation)两类：染色体损伤大于或等于0.2微米时，可在光学显微镜下观察到，称为染色体畸变；若小于这一下限，不能在镜下直接观察到，要依靠对其后代的生理、生化、结构等表型变化判断突变的发生，称为基因突变(gene mutation），亦称点突变(point mutation）。

(一)基因突变

分子水平遗传物质的改变，包括碱基置换(base substitution)、移码突变(frame-shift mutations)和大段损伤。

1、碱基置换

碱基置换是首先在DNA复制时由于互补链的相应配位点配上一个错误的碱基，而这一错误的碱基在下一次DNA复制时发生错误配对(mispairing),错误的碱基对置换了原来的碱基对，亦即产生最终的碱基对置换(base-pair substitution)或称碱基置换。它包括转换和颠换两种情况：原来的嘌呤被另一嘌呤置换或原来的嘧啶被另一嘧啶置换，我们称之为转换(transition）；若原来的嘌呤被嘧啶置换或原来的嘧啶被嘌呤置换，我们则称之为颠换(transversion）。无论是转换还是颠换都只涉及一对碱基，其结果可造成一个三联体密码子的改变, 可能出现同义密码、错义密码和终止密码。由于错义密码所编码的氨基酸不同，表达的蛋白质可能发生改变；如果错义密码为终止密码，可使所编码的蛋白质的肽链缩短。

2、移码突变

移码突变是DNA中增加或减少不为3的倍数的碱基对所造成的突变。碱基序列三联体密码子相互间并无标点符号。移码突变能使密码子的框架改变，从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的核酸序列完全改变，也可能使读码框架改变其中某一点形成无义密码，于是产生一个无功能的肽链片段。如果增加或减少的碱基对为3的倍数，则使基因表达的蛋白质肽链增加或减少一些氨基酸。由于移码可以产生无功能肽链，故其易成为致死性突变。

3、大段损伤

大片段损伤是指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，但所缺失的片段仍远小于光镜下所能观察到的染色体变化，故又可称为小缺失。

（二）染色体畸变

染色体的畸变包括染色体的结构异常和数目改变。其在丝裂期的中期才能观察到，对于精子细胞的某种特定畸变则须在减数分裂期的中期Ⅰ期进行观察。

1、染色体结构异常

染色体结构异常是染色体或染色单体受损而发生断裂，且断段不发生重接或虽重接却不在原处；这种作用的发生及其过程称为断裂作用（clastogenesis）。使其断裂的物质称为断裂剂（clastogen）；可分为两种，大多数如紫外线，只能诱发DNA单链断裂，故称为拟紫外线断裂剂，这种断裂必须经过S期的复制，才能在中期相细胞出现染色单体型畸变，故又称为S期依赖断裂剂(S-dependent slastogen)；少数像电离辐射一样，可诱发DNA双链断裂，我们称之为拟放射性断裂。其可在G0期和G1期作用，经S期复制，在中期呈现染色体型畸变，故我们称之为S期不依赖断裂剂(S-independent clastogen)。但是，任何情况下的染色单体型畸变都会在下一次细胞分裂时转变为染色体型畸变。

染色体型畸变（chromatid-type aberration）是染色体中两条染色单体同一位点受损后所产生的结构异常，有多种类型：

（1）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。

（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，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。

（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成一个环，称之为环状染色体。

（4）倒位(inversion)：当染色体发生两次不同部位断裂时，中间节段倒转1800再重接，为倒位。

（5）插入和重复(insertion and duplication)：当一个染色体发生三处断裂，带有两断段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称为插入，若缺失的染色体和插入的染色体是同源染色体，且各有一处断裂发生于同一位点，则出现两段相同节段，称为重复。

（6）易位(translocation)：从某个染色体断下的节段连接到另一个染色体上称为易位。两染色体各发生一次断裂，只一个节段连到另一染色体上为单方易位，相互重接为相互易位，若发生3处以上的断裂，其交换重接称为复杂易位。

染色单体型畸变(chromosome-type aberration)指某一位点的损伤只涉及姐妹染色单体中的一条，它也有裂隙、断裂和缺失；此外，还有染色单体的交换(chromatid exchange),是两条或多条染色单体断裂后变位重接的结果，分为内换和互换。而姐妹染色单体交换(sister chromatid exchange,SCE)则是指某一染色体在姐妹染色单体之间发生同源节段的互换，两条姐妹染色单体都会出现深浅相同的染色（而正常的则是一深一浅），但同源节段仍是一深一浅，这种现象就是SCE。

2、染色体数目异常

以动物正常细胞染色体数目2n为标准，染色体数目异常可能表现为整倍性畸变(euploidy aberration)和非整倍性畸变(aeuploidy aberration)。前者即出现单倍体或多倍体；而后者指比二倍体多或少一条或多条染色体，例如，缺体(nullisome)是指缺少一对同源染色体，而单体或三体则是某一对同源染色体相应地少或多一个。

染色体数目异常是由于染色体行态异常或复制异常，其原因有四方面:(1)不分离：（nondisjunction）指在细胞分裂的中期和后期，某一对同源染色体或姐妹染色单体同时进入一个子细胞核为不分离； (2)染色体遗失(chromosome loss): 在细胞分裂的中后期，如果一个染色体未能进入下一个子细胞核，使子细胞缺少一个染色体；(3)染色体桥(chromosome bridge)的影响：染色体畸变中出现的双着丝粒染色体在细胞分裂后期如不能被拉断，就会在两核之间形成染色体桥，它使细胞不能分裂，出现四倍体。（4）核内再复制(endoreduplication):四倍体的细胞核进入下一个分裂周期，恢复正常复制与分离，出现四条染色单体排列的现象，称为核内再复制。

表6-1染色体

畸变描述方式

描述方式含义

-1 丢失一个1号染色体

+7 获得额外的一个7号染色体