外源化学物致突变作用

2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
碱基损伤—平面大分子嵌入DNA链
具有平面环状结构的化学物以非共价结合方式 嵌入核苷酸链之间或碱基之间
嵌入到新合成的互补链 上，使之缺失一个碱基
嵌入到模板链两碱基间，使 互补链插入一个多余碱基
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移码突变
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外源化学物致突变作用机制
染色体型畸变（chromosome-type aberration） 染色单体型畸变（chromatid-type aberration）
化学物引起染色体型畸变还是染色单
体型畸变，主要取决于该化学物性质
及接触该化学物时细胞所处周期
2020年10月5日星期
一
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染色体畸变
染色单体型畸变
染2一0色20年体10型月5畸日星变期
细胞在第一次减数分裂时同源染色体不分离 第二次减数分裂或有丝分裂过程中，姐妹染色单体不分离
2020年10月5日星期
一
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非整倍体和多倍体
染色体数目异常的基本类型
类型
公式 染色体组
整倍体
单倍体 二倍体
n
(ABCD)
2n (ABCD) (ABCD)
三倍体
3n (ABCD) (ABCD) (ABCD)
四倍体
致死性突变
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基因突变
移码突变后果
2020年10月5日星期
一
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基因突变
如果减少或增加的碱基对刚好是3对或3的倍数对， 称为密码子插入或缺失 基因产物的肽链中仅增加或减少一个或几个氨基酸， 此部位之后的氨基酸序列没有改变，其后果与碱基 置换相似
2020年10月5日星期
一
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染色体畸变
染色体畸变（chromosome aberration） 染色体结构改变
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
DNA-DNA交联（DNA-DNA cross linkage，DDC） 是 DNA分子一条链上碱基与互补链上相应碱基形成 共价连接 DDC在DNA复制中不能解离，引起DNA复制和转录 终止，导致细胞死亡
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
不以DNA为靶的间接诱变
（一）纺锤体抑制
与微管蛋白二聚体结合
与微管蛋白巯基结合
破坏已组装完成的微管
中心粒移动受阻
其他作用
（二）对酶促过程的作用
作用于DNA复制过程的酶
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作用于DNA修复过程的酶
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致突变后果
致突变物 靶细胞
体细胞 生殖细胞
影响接触致突变物的个体 影响可遗传到下一代
碱基损伤—平面大分子嵌入DNA链
嵌入剂（intercalating agent） 能嵌入DNA链上的化学物
9-氨基吖啶
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吖啶橙
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外源化学物致突变作用机制
碱基损伤—碱基类似物取代
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外源化学物致突变作用机制
2020年10月5日星期 一
DNA合成期，5-BrU与T竞
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一
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外源化学物致突变作用机制
DNA链受损—嘧啶二聚体形成
机体或细胞受到紫外线刺激时，DNA发生化学变 化，产生嘧啶二聚体和4-6光产物，这些改变阻止 DNA复制，导致细胞死亡
TT、CC、CT
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一
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外源化学物致突变作用机制
DNA链受损—嘧啶二聚体形成
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发生过程长、发 生率极低，与物 种进化有关
发生过程短、发 生率高，对人类 有利有弊
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概述
1927年—电离辐射引起基因突变
1947年—化学物导致基因突变
遗传毒理学（genetic toxicology）
研究各种因素的致突变作用和作用机制，及
人类接触致突变物可能引起的健康效应
转换（transition） 颠换（transversion）
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一
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基因突变
碱基置换结果
UCG
丝氨酸
CCC
脯氨酸
UCU
丝氨酸
CUC
亮氨酸
UCG
丝氨酸
UCC
终止密码
UCC
终止密码
UCG
丝氨酸
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基因产物无影响
同义突变
对基因产物功能有影 响或无活性基因产物
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一
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外源化学物致突变作用机制
7,8-环氧-B(a)P 7,8-二氢二醇-B(a)P
DNA链局部扭曲和
7,8-二氢二醇-9,10-B(a)P
二级结构紊乱
2020年10月5日星期
B(a)P-DNA adduct
一
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外源化学物致突变作用机制
DNA链受损—DNA加合物形成
一般化学或生物学方法难使其解离 活化癌基因、影响抑癌基因表达
一娘生九子，连娘十个样 变异（variation）
生物物种推陈出新的来源
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一
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概述
突变（mutation）
遗传物质本身的变化及引起的变异
可遗传的变异
2020年10月5日星期
一
4
概述
自发突变
spontaneous mutation
突变 诱发突变
induced mutation
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
DNA链受损—DNA-蛋白质交联物形成
DNA-蛋白质交联物（DNA-protein crosslink, DPC） 是一种稳定的共价结合物，是致突变物对生物大分 子的一种重要遗传损害， DPC形成对DNA构象与功能产生严重影响（如突 变），因为与DNA交联的是核蛋白
起碱基置换或链断裂， 其作用与DNA复
制无关
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
碱基损伤—碱基化学结构改变或破坏
有些化学物在体内形成有机过氧化物或自 由基，破坏嘌呤结构，导致链断裂
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
以DNA为靶的直接诱变
（二）DNA链受损
嘧啶二聚体形成 DNA加合物形成 DNA-蛋白质交联物形成
2020年10月5日星期 一
群体中每个个体携带的可遗
传给下一代的有害基因的平
均水平
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致突变后果
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一
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机体对致突变作用影响
机体修复DNA损伤 1、损伤耐受机制 2、修复机制
DNA修复
直接修复
遗传因素对致突变作用影响 1、代谢酶遗传多态性
2、修复功能个体差异
2020年10月5日星期 一
错义突变
基因产物不完全或 无义突变
无功能
基因产物出现新功能 终止密码 突变
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基因突变
移码突变（frameshift mutation）：发生一对或几对
（3或3的倍数对除外）碱基减少或增加，从受损点开 始碱基序列完全改变，形成错误密码，并转译为不正 确的氨基酸
氨基酸序列改变
无功能肽链片断
2020年10月5日星期 一
以DNA为靶的直接诱变
（一）碱基损伤
碱基错配 平面大分子嵌入DNA链 碱基类似物取代 碱基化学结构改变或破坏
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
碱基损伤—碱基错配
烷化剂提供甲基或乙基等烷基与DNA共价结合 鸟嘌呤N-7位、O-6位和腺嘌呤N-8位容易接受烷化
基团，引起碱基错配
2020年10月5日星期
一
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概述
致突变作用 （mutagenesis）
化学物质和其他环境因素引起生物体遗传 物质发生改变的能力，且该改变过程可随 细胞分裂过程而传递
突变的发生及其过程
2020年10月5日星期
一
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概述
致突变物
mutagen
能够引起突变的物质或因子
直接致突变物
direct-acting mutagen
外源化学物致突变作用 chemical mutagenesis
【目的要求】 掌握外源化学物致突变类型 掌握外源化学物致突变后果 掌握遗传学终点及常用致突变试验原理 熟悉致突变作用评价方法 了解致突变作用机制
2020年10月5日星期
一
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概述
种瓜得瓜、种豆得豆
遗传（heredity） 保持生物种族特性的根本
一
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外源化学物致突变类型
基因突变 染色体畸变
光学显微镜
非整倍体和整倍体
不可见 可见 可见
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
基因突变 以DNA为靶
染色体畸变 非整倍体和整倍体 不以DNA为靶
公认的致突变机制 DNA损伤-修复-突变模式
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
2020年10月5日星期
一
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致突变后果
体细胞突变后果
肿瘤、衰老、动脉粥样硬化以及新生儿 畸形、死胎、发育迟缓、流产等
2020年10月5日星期
一
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致突变后果
生殖细胞突变后果
致死性
显性
不能受精或 受精卵死亡
隐性 纯合子和半合子死亡
非致死性
下一代遗传病发病率 增加下一代基因库 增加或新病种出现 遗传负荷
切除修复
O6甲基鸟嘌呤修复
光修复
核苷酸切除修复 碱基切除修复 错配碱基修复 复制后修复 呼救性修复
50
观察化学物致突变作用基本方法
致突变试验是通过检测遗传学终点或检测导致某一 终点的DNA损伤过程伴随的现象，确定化学物致突 变性的能力
致突变试验的观察终点称为遗传学终点（genetic endpoint）
2020年10月5日星期
一
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外源化学物致突变作用机制
G C 2020年10月5日星期
一
AT 29
外源化学物致突变作用机制
碱基损伤—碱基错配
烷化剂引起DNA二级结构改变
烷化剂烷化鸟嘌呤N-7上氨基，造成碱基与脱氧 核糖连接键不稳定，致使碱基丧失，丧失碱基 的DNA留下一个无嘌呤或无嘧啶的位点（AP位 点），不正确的碱基插入AP位点，引起突变
争取代掺入DNA链中，下
次DNA复制时，5-BrU与A
配Fra Baidu bibliotek。但由于溴原子带的负
电荷比甲基强，5-BrU发生
异构互变，由酮式变为烯醇
式，DNA复制时， 5-BrU不
与A配对，而与G配对，导
致TA到CG转换
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外源化学物致突变作用机制
碱基损伤—碱基化学结构改变或破坏
有些化学物可对碱基 产生氧化作用，破坏 或改变碱基结构，引
臂间倒位
插入 重复
21
染色体畸变
稳定型染色体畸变：裂隙、缺失、倒位、重复等 非稳定型染色体畸变：双着丝点染色体、无着丝点断片、环
状染色体等
光学显微镜观察有丝分裂中期相细胞染色体
判断是否有染色体畸变发生
2020年10月5日星期
一
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非整倍体和多倍体
整倍体：以染色体组为单位的增减 非整倍体：增加或减少一条或几条染色体
2020年10月5日星期
一
10
基因突变
基因突变（genetic mutation）：基因中DNA序列
变化，也称为点突变（point mutation）
基因突变分为碱基置换和移码突变两种类型
2020年10月5日星期
一
11
基因突变
碱基置换（base substitution）：某一碱基配
对性能改变或脱落所致突变（某一种碱基被另 一种碱基所取代）
DNA结构局部变形 2一020影年10响月5D日N星期A复制和转录
DNA链间氢键减弱
突变
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外源化学物致突变作用机制
DNA链受损—DNA加合物形成
一些化学诱变剂或其活化产物可与DNA等 生物大分子中的亲核基团共价结合形成加 合物，使DNA立体构象改变，阻断受损部 位复制和转录 DNA加合物形成是诱变作用的重要事件
4n (ABCD) (ABCD) (ABCD) (ABCD)
非整倍体
单体
2n-1 (ABCD) (ABC)
三体
2n+1 (ABCD) (ABCD) (A)
四体
2n+2 (ABCD) (ABCD) (AB)
双三体 2n+1+1 (ABCD) (ABCD) (AA)
缺体
2n-2 (ABC) (ABC)
2020年10月5日星期
基因突变 — DNA碱基序列改变
染色体畸变 — 染色体结构改变
染色体组畸变 — 染色体数目改变
DNA原始损伤 — DNA完整性改变
2020年10月5日星期 一
DNA重排或交换
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观察化学物致突变作用基本方法
成套观察项目
致突变试验配套组合原则* 包括多个遗传学终点 试验指示生物包括原核生物和真核生物 包括体内试验和体外试验 体细胞和生殖细胞
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染色体畸变
断裂是染色体结构异常的基础
2020年10月5日星期
一
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染色体畸变
染色体结构异常类型
染色体畸变
裂 断 缺断 微 无 环 双 倒 易 重插
隙 裂 失片 小 着 状 着
位
位 复入
辐
体丝染丝
射
点色点
体
环体染
色
体
2020年10月5日星期
一
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染色体畸变
染色体缺失及环状染色体
相互易位
2020年10月5日星期 一
不需代谢活化，其原型即 具有致突变作用
间接致突变物
indirect-acting mutagen
2020年10月5日星期 一
本身不能引起突变，须经代 谢活化后才具有致突变作用
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2020年10月5日星期
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外源化学物致突变类型*
基因突变（gene mutation） 染色体畸变（chromosome aberration） 整倍体和非整倍体（polyloid and aneuploidy）