致突变作用

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第六讲 致突变作用的研究 及其试验方法
遗传毒理学
1. 基本概念 2. 化学毒物致突变的类型 3. 突变作用的后果 4. 致突变作用的检测方法
基本概念
z 突变(mutation) 遗传结构本身的变化及其引起的变异称为突变,
突变实际上是遗传物质的一种可遗传的变异。
z 自发突变(spontaneous mutation) 由于自然界中诱变剂的作用或由于偶然的自制、
n 指DNA多核苷酸链上碱基序列中丢失一个或 几 个 碱 基 , 或 插 入 一 个 或 几 个 化 合 物 分 子, 结 果 使 突 变 位 点 以 下 的 碱 基 序 列 发 生 变 更, 以致使三联密码转录和翻译时,发生较多遗 传信息的改变。
n 多环芳香烃类、芳香胺类、嘧啶类化合物和 黄曲霉素B1等都能引起插入型移码突变。
转录、修复时的碱基配对错误所产生的突变。 z 诱发突变(induced mutation)
在诱变剂的作用下发生的突变。
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突变的物质基础
­ 基因是DNA分子上最简单而又完整的功能单位, 每一个基因产生一种功能产物,几乎所有的基 因功能产物都是多肽(蛋白质)。一个基因在伸 直的DNA链上约有500~1000个碱基对。
z 本身不引起突变,必须在体内经过代谢活化 后才具有致突变作用的外源化合物,则称为 间接致突变物(indirect mutagen)。
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突变的不良后果
突变的不良后果
体细胞突变
生殖细胞突变
癌致 变畸

自先

子死发天

死胎流畸

产形
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药物致突变作用的检测方法
z 用短期致突变试验来预测化学物质潜在致癌性 的设想,自70年代以来逐步得到证实,并为世 界所公认。据不完全统计,70年代发展和建立 起来的短期致突变方法多达100多种,但均各有 优缺点,需要不同检测方法的互相补充和引证。
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v T A 9 7 、 T A 9 8 和 T A 1 0 0 菌 株 均 有 切 除 修 复 突 变, 即ΔuvrB;
v 四种标准菌株均有深粗糙型突变, 即rfa突变; v 四种标准菌株均有R因子,对氨苄青霉素具有
抗药性; v TA102菌株还有PAQ1质粒,对四环素具有抗药
性。
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v △uvrB:紫外线抗性基因突变―细菌失去对 紫外线损伤的修复能力;
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z 优点: 1.可用来作为诱变指示物的微生物有噬菌体、
细菌和真菌等。 2.微生物具有繁殖快、个体数量多、容易观察
检出等特点,而且方法较为敏感、检出率较高、 试验周期短、费用也较低。
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缺点:
1.微生物是单细胞生物,与哺乳动物及人类有 较大的差别,例如核结构不同、DNA裸露而且 数量少、分子小、对化学诱变原不能进行代谢 活化或降解以及缺乏免疫系统等。
广义地包括基因突变和染色体畸变。
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致突变作用的类型
v 基因突变(gene mutation) 外源化合物对遗传物质的影响仅涉及某一部分,
如三联密码中碱基对的改变或基因中密码的改变, 使基因的功能产物发生变化称为基因突变。
v 染色体畸变(chromosome aberration) 外源化合物对遗传物质的影响涉及到整个染色体,
v 染色体数目的改变会导致基因平衡的失调,可 能影响细胞的生存或造成形态及功能上的异常。 如21三体导致先天愚型(Down氏综合征)。
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致突变作用的类型
v 2. 染色体结构的畸变:在诱变因素作用下, 染色体从长轴上断下一个断片,叫做断裂 (break), 这是造成染色体结构变化的根本 原因,根据断片不同的重接方式,形成四种 畸变:
倍体以上统称为多倍体(polyploid)。
v 在人体,3n为69条染色体,4n为92条染色体。 在肿瘤细胞及人类自然流产的胎儿细胞中可有 三倍体细胞的存在。发生于生殖细胞的整倍体 改变,几乎都是致死性的。如秋水仙碱可引起 这种突变。
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v 染色体数目也可以不成整倍地增减,即形成非 整倍体(aneuploid),如染色体数目超过二倍 体,即为超二倍体(hyperdiploid), 少于二倍 体则为亚二倍体(hypodiploid)。
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④ R因子的鉴定:带有R因子的菌株具有抗氨 苄 青 霉 素 的 特 性 , 据 此 以 鉴 别 R 因 子 之 存 在, TA102菌株含PAQ1质粒(含抗四环素因子)。 v 鉴定方法:在琼脂平皿上滴加氨苄青霉素溶液,
不含R因子的菌株在氨苄青霉素周围有一生长 抑制区,含R因子的菌株因具有抗氨苄青霉素 的作用,故无抑制区。
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试验方法
(1)掺入法:将测试菌液0.1ml、测试样品0.1ml 和S9混合液0.5ml加入顶层琼脂中,充分混匀后迅速 倾入葡萄糖琼脂底层培养基平皿上。琼脂凝固后将 平皿放入37℃培养箱,2天后计数测试平皿和对照平 皿的菌落数。如菌落太小,可继续培养到72小时观 察结果。
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表现为染色体结构与数目的变化称为染色体畸变。
致突变作用的类型
一、基因突变(gene mutation)
n 1.点突变(point mutation):即碱基取代型 突变。
(1)转换型突变(transition):指DNA多 核苷酸链上的碱基中,嘌呤互相取代(鸟嘌 呤置换腺嘌呤或相反)或嘧啶互相取代(胞 嘧 啶 取 代 胸 腺 嘧 啶 或 相 反 ) 所 引 起 的 突 变。 DNA转录时可引起一个RNA密码子的改变, 在翻译时可使多肽链中的一个氨基酸发生变 更。如亚硝酸可引起这种突变。
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致突变作用的类型
二、染色体畸变(chromosome aberration)
v 1. 染色体数目的畸变:正常的生殖细胞染色体
为单倍体(haploid), 体细胞为双倍(diploid)。在突 变细胞中,染色体成整倍地发生变化,以致形 成三倍体(triploid)、 四倍体(tetroploid)…,二
­ 染色体由成千上万个基因组成,它以一定的形 式和位置排列在染色体上。
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DNA与基因 5
染色体
6
突变作用
z 突变作用 (mutagenesis)
生物体遗传物质发生急剧的遗传学变化,导致 可遗传的表型变异,其表型变异为不可逆的,这 种现象称为突变作用。
突变作用可视为DNA结构在任一水平上受到破 坏,并由此造成了体细胞或生殖细胞中的遗传信 息的改变。
2.有些受试物,在体外并不直接具有致突变性, 而在体内形成的代谢产物却具有致突变作用,就 会得出“假阴性”的结论。相反,某些在体外 实 验 中 可 引 起 微 生 物 发 生 突 变 作 用 的 受 试 物, 在体内经代谢后可失去其原有的致突变性,以 至出现“假阳性”的结果。
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原理:
v 利用组氨酸缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌突变株为 测试指示菌,观察其在某受试物作用下回复突 变为野生型的一种测试方法。
鼠伤寒沙门氏 菌野生型(his+)
正向突变 回复突变
组氨酸营养缺陷型 突变株(his-)
代谢活化系统 受试物
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推荐使用的菌株:TA97、TA98、TA100和TA102 四种标准菌株。 v TA97和TA98检测移码突变; v TA100检测碱基置换突变; v TA102检测碱基置换和移码突变。
v 鉴定方法:取受试菌株新鲜培养液加到顶层 琼脂中,摇匀,迅速倾入底层葡萄糖平皿上, 培养48小时,计数自发回变菌落数。
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四种标准试验菌株的基因型和自发回变鉴定
菌株
TA97 TA98 TA100
组氨酸 rfa突变 uvrB缺 R因子 自发回变
需要① ②
失③ ④ 菌落数
+
+
+
+ 90~180
+
+
+
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(1)缺失(deficiency): 即染色体的断片未与 断裂端连接。因此,失去一个片断及其所携带 的遗传密码。
(2)重复(duplication): 即断片与同源染色 体连接,使一部分遗传密码重复出现。
(3)倒位(inversion): 断片作180O倒转后, 再接到断端上。
(4)易位(translocation): 两条非同源染色 体同时断裂,两个断片交换位置后相接。
v 同法滴加四环素溶液,可鉴定PAQ1质粒。
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⑤ 自发回变数测定:受试菌株在保存或培养 过程中,能产生自发回变。
v 不 同 菌 株 的 自 发 回 变 数 有 一 定 范 围, T A97( 9 0 ~ 1 8 0 ) 、 T A98( 1 5 ~ 6 0 ) 、 TA100(75~200)、TA102 (240~360)。
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致突变作用的类型
(2)颠换型突变(transversion): ª 指DNA多核苷酸链上的碱基中,嘌呤取代嘧啶
或嘧啶取代嘌呤所引起的突变。结果也是多肽 链中一个氨基酸的变更。 ª 一些烷化剂如二乙基亚硝胺等可引起这种突变。
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基因突变(gene mutation)
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n 2.移码突变(frameshift mutation) :
染色体缺失及环状染色体的形成图
染色体插入和重复示意图
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染色体的臂间倒位
染பைடு நூலகம்体相互易位示意图
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致突变物
z 凡能引起生物体发生突变的药物为药物致突 变物(drug mutagen)。
z 具有很高化学活性的外源化合物,其原形就 可引起生物体的突变,称为直接致突变物 (direct mutagen) 。
z 选择短期致突变试验的原则:方法应简单、经 济、快速和易于重复,在一定允许范围内的假 阴性和假阳性,敏感性高,敏感谱广。
z 主要采用体外测试系统,再适当结合体内测试 系统的原则。
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一、微生物回复突变试验 (Ames试验) :
由美国加州大学伯克利分校生化教授 Ames(1972)首创。
目前公认Ames试验作为筛选可能有致突变 作用的化学物,是一种可靠的方法。
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③ uvrB缺失的鉴定(紫外线敏感试验)uvrB 缺失,即切除修复系统缺失,此特性一般较稳定, 不易丢失。
v 鉴定方法:将受试菌液在琼脂平皿上划线。用 黑纸覆盖培养皿的一半,然后在紫外线灯下照 射,培养24小时。如果经紫外线照射部分无细 菌生长,而覆盖的一半有细菌生长,则说明对 紫外线敏感,亦即此菌株具有uvrB缺失的特 性。
组于平板表面涂加组氨酸和生物素,另一组 (对照)仅加生物素。 v 将试验菌株在此两组培养基上划线接种,培 养24~48小时,对照平皿无细菌生长,含组 氨酸平皿有细菌生长。
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② 深粗糙型(rfa)鉴定(结晶紫抑菌试验)深 粗糙型突变的细菌,缺乏脂多糖屏障,大分子物 质能进入菌体。
鉴定方法:于琼脂平皿上滴加0.1%结晶紫溶 液,竖起平皿,让结晶紫溶液顺平皿流下。在与 结晶紫溶液流下的方向垂直划线接种试验菌株。 培养24~48小时,观察生长情况。在结晶紫溶液 渗透区出现抑菌,证明试验菌株有rfa突变存在, 意味结晶紫大分子进入菌体并杀死细菌。
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和体


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体 和

环 体染
点色点
体丝 染 丝
隙 裂 失片 小 着 状 着 位 位 入 射
裂 断 缺断 微 无 环 双 倒 易 插 辐
染色体畸变
(translocation) (inversion)
(minute body) (fragment) (deletion) (break) (gap)
v 受 试 物 如 不 溶 于 水 , 可 用 二 甲 基 亚 砜 (DMSO)或乙醇作溶剂,DMSO用量每皿不 超过0.5ml,乙醇不超过0.1ml。
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v 对照组
v 用溶媒作阴性对照,已知致突变原作阳性对照。 v 对需使用间接诱变物作对照时,应注意平行设
加S9与不加S9的对照,以证实其为间接诱变物。
+ 15~60
+
+
+
+ 75~200
TA102
+
+
-
+ 240~360
野生型 -
-
-
-
注:①“+”表示需要;②“+”表示抑菌圈;③“+”表 示无修复能力;④“+”3表5 示具有R因子
剂量设计
v 决定受试物最高剂量的标准是药物对细菌的毒 性和溶解度。化药一般最大剂量可达5mg/皿, 中药可超过5mg/皿,最低剂量一般1µg/皿或 0.1µg/皿。受试物至少应有五种不同剂量。
v rfa:深粗糙型基因突变―细胞壁脂多糖的性 质改变,丧失屏障作用,使许多物质渗入细 胞中;
v R因子质粒PKM101-增加细菌的易错误修复 系统
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菌株鉴定
① 组氨酸营养缺陷鉴定:组氨酸营养缺陷型 菌株只能在补充有组氨酸的培养基上生长,而 在无组氨酸的培养基上则不能生长。 v 鉴定方法:取两组底层葡萄糖平皿,其中一
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