外源性化学物致突变作用
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15
摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义
◆人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因是 一种物质，是染色体上的一个特定的区段。
◆确立并发展了染色体 的遗传理论。
16
基因与染色体
• 在孟德尔的成果获得承认后， 生物界都知道是遗传因子 （即基因）决定了生物的遗 传。但是，基因究竟在细胞 内的什么地方？摩尔根以果 蝇为试验对象回答了这一问 题，基因在染色体上。
➢ 光学显微镜检查有丝分裂中期。
断裂剂：凡能引起染色体断裂的物质。 断裂作用：染色体断裂的发生或过程。
47
染色体畸变又可分为：
➢ 染色体型畸变（chromosome-type aberrations)：指染色体 中两条染色单体同一位点受损后所产生的结构异常。
➢ 染色单体型畸变（chromatid-type aberrations)：指畸变涉 及复制染色体中两条染色单体中的一条。
51
(4) 易位(translocation)：从某个染色体断下的节段接到另一 染色体上称为易位。
52
➢染色体结构异常是染色体或染色单体断裂所致。 ➢当断端不发生重接或虽重接而不在原处，即可出现
染色体结构异常。
53
三、染色体数目异常
Normal human Karyotype: 46, XY
54
58
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 n
(ABCD)
二倍体 2n
(ABCD) (ABCD)
三倍体 3n
(ABCD) (ABCD) (ABCD)
四倍体 4n
(ABCD) (ABCD) (ABCD) (ABCD)
非整倍体
单体 三体
2n-1 2n+1
(ABCD) (ABC) (ABCD) (ABCD) (A)
50
(2) 重复(duplication): 在一套染 色体里，一个染色体片段出现不 止一次。
(3) 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。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(paracentric inversion)。
四体
2n+2 (ABCD) (ABCD) (AA)
双三体 2n+1+1 (ABCD) (ABCD) (AB)
缺体
2n-2 (ABC) (ABC)
注：A、B、C、D代表非同源染色体
59
第三节 化学毒物致突变作用的 机制及后果
60
一、引起突变的DNA变化
（一）碱基损伤 1.碱基错配 ➢ 烷化剂(alkylating agent):是指对DNA和蛋白质具有强
烈烷化作用的物质。 一般情况下甲基化＞乙基化＞高碳烷基化 烷化剂所致甲基化易产生碱基错配
61
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 ➢ 腺嘌呤的N－1、N－3和N－7也易烷化
腺嘌呤
鸟嘌呤
胸腺嘧啶
胞嘧啶
62
➢ AP位点（apurinic or apyrimidinic site)：是指丢失碱 基的DNA留下了一个无嘌呤或无嘧啶的位点。
Synonymous (silent) mutation. Since the codons GGG and GGA encode for the same amino acid (glycine, Gly,甘氨酸), this represents a silent mutation.
33
➢错义突变(missense mutation)：指碱基序列的改变引 起了产物氨基酸序列的改变。
➢ 动物正常体细胞染色体数目2n为标准，为二倍体，又称双体 （disomy）。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(2n+1, 2n-1)。
55
整 倍 性 畸 变
10
第一节 概 述
11
一、基本概念
➢ 突变（mutation）：是指遗传物质本身的变化及其引起的变异。
即生物体的遗传物质发生了突然的、根本的、 遗传的变化， 因为这种变化起源于基因和染色体，因此，是可遗传的变异。 1901年De Vries 首次提出突变这一术语。 1909年摩尔根发现在红眼果蝇中有白眼果蝇。
17
基因与染色体
18
19
从发生原因上，突变可分为：
➢ 自发突变(spontaneous mutation):是由于普遍存 在的未知因素作用下，在自然条件下发生的突变。
❖ 特点：发生过程长、频率很低，与物种进化有关。
20
➢ 诱发突变(induced mutation)：是指人为地造 成突变。
❖特点：发生过程短、频率高，既可被人类利
化学物可诱发小鼠突变
Russed
成立国际环境诱变剂学会 Guttanach
22
❖遗传毒理学 (genetic toxicology)：它是研究化学、物理因素 及生物因素等对遗传物质（DNA）及活细胞遗传过程的作 用，以及人类接触致突变物可能引起健康效应的学科。
❖致突变作用 (mutagenesis)：是指外来因素，特别是化学物 引起细胞核遗传物质发生改变的能力，且该改变可随同细胞 分裂过程而传递。
36
终止密码突变
❖ 链终止突变：指无义突变使肽链过早终止。 ❖ 延长突变：指如果终止密码子因突变而为氨基酸编码，
结果产生过长的肽链的现象。
37
酪氨酸
天冬氨酸
天冬酰胺
组氨酸
半胱氨酸
苯丙氨酸
丝氨酸
酪氨酸
38
（二）移码突变（frameshift mutation)
➢ 指发生一对或几对不等于3的倍数的碱基减少或增加， 以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码， 并转译为不正常的氨基酸。
44
化学毒物致突变的类型
➢基因突变 基因中DNA序列的改变，分为碱基置换和移码突变。 ➢染色体畸变 ➢染色体数目改变
45
二、染色体畸变(chromosome aberration)
46
➢ 染色体畸变（structural chromosome aberration）： 是指由于染色体或染色单体断裂，造成染色体或染色单体 缺失或引起各种重排，从而出现染色体结构异常。
8
【目的要求】
➢掌握外源化学物的致突变作用 ➢掌握机体对致突变作用的影响 ➢熟悉致突变作用评价方法 ➢了解致突变作用的遗传学基础
9
【内容】
➢基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作用、致突变物 ➢致突变的类型：基因突变、染色体结构异常、染色体数目异常 ➢致突变作用机制 ➢突变的后果：生殖细胞突变，体细胞突变 ➢机体对致突变作用的影响 ➢致突变试验
用，也可能对人类产生危害。
21
年份 1904
1927
1943
1951 1966 1969
突变研究简史
事件
作者
发现X射线可以改变生殖细 De Vries 胞的遗传物质
用X射线照射发现可以引起 Muller 基因突变
发现芥子气可诱发基因和染 Averbach &
色体畸变
Robson
用X射线可诱发小鼠突变
➢突变基因：基因内存在突变的基因； ➢野生型基因：没有发生突变的基因。
28
(一) 碱基置换（base subsititution)
碱基置换是某一碱基配对性能改变或脱落而 引起的突变。
➢ 转换(transition)：即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化 ➢ 颠换(transversion) ：即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化
毒理学基础
生殖医学国家重点实验室 现代毒理学教育部重点实验室
1
2
3
Biblioteka Baidu 4
5
6
第七章 外源性化学物致突变作用
（Chemical Mutagenesis）
7
第一节、概述 第二节、外源化学物致突变的类型 第三节、外源化学物致突变作用的机制及后果 第四节、机体对致突变作用的影响 第五节、观察外源化学物致突变作用的基本方法
40
41
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。
➢ 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。
➢ 移码较易成为致死性突变 。
42
碱 基 置 换
移 码 突 变
43
注意：
❖ 如果减少或增加碱基对刚好是3对，则基因产物的肽链 中仅减少或增加一个氨基酸，其后果与碱基置换相似， 与移码突变不一样，不包括在移码突变范畴 。
23
❖致突变物 (mutagen)：凡能引起生物体遗传物质发生改变的 化学物质或任何环境因子，又称诱变剂。 ❖遗传毒物 (genotoxic agent)：由于致突变物能损伤遗传物质， 因此致突变物又称为遗传毒物。
24
➢直接致突变物 (direct-acting mutagen)：具有很高的化学活性， 其原型就可引起生物体突变的物质。 ➢间接致突变物 (indirect-acting mutagen)：本身不能引起突变， 必须在体内经过代谢活化，才具有致突变性的物质。
12
• 孟德尔的豌豆杂交实验为现代遗 传学奠定了基础。
• 摩尔根(Morgan)以黑腹果蝇为材 料所进行的一系列实验，导致了 遗传学的许多重大发现。由于在 染色体遗传理论上的贡献，摩尔 根于1933年获诺贝尔生理学或医 学奖，这是遗传学领域的第一个 诺贝尔奖。
13
摩尔根和他的学生利 用果蝇作了大量的研 究。1926年出版《基 因论》，建立了著名 的基因学说。
48
(1) 无着丝粒断片和缺失（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。
49
常将无着丝粒断片简称为断片，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。如断片很小，小于染色单体宽度，则称 为微小体。
56
非 整 倍 性 畸 变
57
➢ 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；于 是在染色体数目上相应为2n-2、2n-1，2n+1和2n+2 。
➢ 人类中常见有三种三体： （1）21-三体，即Down氏综合征，我国有60万，每20分钟生 一个； （2）18-三体，即Edward综合征； （3）13-三体，即Patau综合征。
29
A 腺嘌呤
G 鸟嘌呤
T
C
胸腺嘧啶 胞嘧啶 30
AG G A transistions CT TC
A TTG T A G T transversions A CC G C AG C
Transitions are more common than transversions.
31
32
后果
➢ 同义突变(synonymous mutation)：指没有改变基因产物 氨基酸序列的改变。
34
致死突变：发生在必需基因上，严重影响
错
蛋白质功能的错义突变。
义
渗漏突变：突变的产物仍有部分活性，表
突
现型介于突变型与野生型之间。
变
中性突变：突变不影响或基本不影响蛋白 质的功能，性状改变不明显。
35
➢无义突变(nonsense mutation)：指某个碱基的改变使代 表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，导致 多肽链在成熟之前终止合成的改变。
Thomas Hunt Morgan （1866～1945）
14
• 摩尔根在《基因论》中绘制了果蝇基因位置图， 首次完成了当时最新的基因概念的描述；
• 基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不 仅是决定性状的功能单位，也是一个突变单位和 交换单位；
• 至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。
25
第二节 化学毒物致突变的类型
从遗传学角度或突变角度分为：
➢基因突变 ➢染色体畸变 ➢染色体数目改变
26
从机理角度分为：
➢ 以DNA为靶的损伤（包括基因突变和染 色体畸变）
➢ 不以DNA为靶的损伤（染色体数目异常）
27
一、基因突变
❖ 基因突变（genetic mutation)：是指基因在结构 上发生了碱基对组成和排列序列的改变，也称为 点突变（point mutation)。 可分为碱基置换和移码突变两种类型 。
➢ 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。
39
碱 错义突变 基 置 换
THE DOT BIT THE CAR THE DOG BIT THE CAR
移 缺失 码 突 变 插入
THE DOB ITT HEC AR
THE DOA GBI TTH ECA R
摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义
◆人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因是 一种物质，是染色体上的一个特定的区段。
◆确立并发展了染色体 的遗传理论。
16
基因与染色体
• 在孟德尔的成果获得承认后， 生物界都知道是遗传因子 （即基因）决定了生物的遗 传。但是，基因究竟在细胞 内的什么地方？摩尔根以果 蝇为试验对象回答了这一问 题，基因在染色体上。
➢ 光学显微镜检查有丝分裂中期。
断裂剂：凡能引起染色体断裂的物质。 断裂作用：染色体断裂的发生或过程。
47
染色体畸变又可分为：
➢ 染色体型畸变（chromosome-type aberrations)：指染色体 中两条染色单体同一位点受损后所产生的结构异常。
➢ 染色单体型畸变（chromatid-type aberrations)：指畸变涉 及复制染色体中两条染色单体中的一条。
51
(4) 易位(translocation)：从某个染色体断下的节段接到另一 染色体上称为易位。
52
➢染色体结构异常是染色体或染色单体断裂所致。 ➢当断端不发生重接或虽重接而不在原处，即可出现
染色体结构异常。
53
三、染色体数目异常
Normal human Karyotype: 46, XY
54
58
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 n
(ABCD)
二倍体 2n
(ABCD) (ABCD)
三倍体 3n
(ABCD) (ABCD) (ABCD)
四倍体 4n
(ABCD) (ABCD) (ABCD) (ABCD)
非整倍体
单体 三体
2n-1 2n+1
(ABCD) (ABC) (ABCD) (ABCD) (A)
50
(2) 重复(duplication): 在一套染 色体里，一个染色体片段出现不 止一次。
(3) 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。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(paracentric inversion)。
四体
2n+2 (ABCD) (ABCD) (AA)
双三体 2n+1+1 (ABCD) (ABCD) (AB)
缺体
2n-2 (ABC) (ABC)
注：A、B、C、D代表非同源染色体
59
第三节 化学毒物致突变作用的 机制及后果
60
一、引起突变的DNA变化
（一）碱基损伤 1.碱基错配 ➢ 烷化剂(alkylating agent):是指对DNA和蛋白质具有强
烈烷化作用的物质。 一般情况下甲基化＞乙基化＞高碳烷基化 烷化剂所致甲基化易产生碱基错配
61
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 ➢ 腺嘌呤的N－1、N－3和N－7也易烷化
腺嘌呤
鸟嘌呤
胸腺嘧啶
胞嘧啶
62
➢ AP位点（apurinic or apyrimidinic site)：是指丢失碱 基的DNA留下了一个无嘌呤或无嘧啶的位点。
Synonymous (silent) mutation. Since the codons GGG and GGA encode for the same amino acid (glycine, Gly,甘氨酸), this represents a silent mutation.
33
➢错义突变(missense mutation)：指碱基序列的改变引 起了产物氨基酸序列的改变。
➢ 动物正常体细胞染色体数目2n为标准，为二倍体，又称双体 （disomy）。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(2n+1, 2n-1)。
55
整 倍 性 畸 变
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第一节 概 述
11
一、基本概念
➢ 突变（mutation）：是指遗传物质本身的变化及其引起的变异。
即生物体的遗传物质发生了突然的、根本的、 遗传的变化， 因为这种变化起源于基因和染色体，因此，是可遗传的变异。 1901年De Vries 首次提出突变这一术语。 1909年摩尔根发现在红眼果蝇中有白眼果蝇。
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基因与染色体
18
19
从发生原因上，突变可分为：
➢ 自发突变(spontaneous mutation):是由于普遍存 在的未知因素作用下，在自然条件下发生的突变。
❖ 特点：发生过程长、频率很低，与物种进化有关。
20
➢ 诱发突变(induced mutation)：是指人为地造 成突变。
❖特点：发生过程短、频率高，既可被人类利
化学物可诱发小鼠突变
Russed
成立国际环境诱变剂学会 Guttanach
22
❖遗传毒理学 (genetic toxicology)：它是研究化学、物理因素 及生物因素等对遗传物质（DNA）及活细胞遗传过程的作 用，以及人类接触致突变物可能引起健康效应的学科。
❖致突变作用 (mutagenesis)：是指外来因素，特别是化学物 引起细胞核遗传物质发生改变的能力，且该改变可随同细胞 分裂过程而传递。
36
终止密码突变
❖ 链终止突变：指无义突变使肽链过早终止。 ❖ 延长突变：指如果终止密码子因突变而为氨基酸编码，
结果产生过长的肽链的现象。
37
酪氨酸
天冬氨酸
天冬酰胺
组氨酸
半胱氨酸
苯丙氨酸
丝氨酸
酪氨酸
38
（二）移码突变（frameshift mutation)
➢ 指发生一对或几对不等于3的倍数的碱基减少或增加， 以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码， 并转译为不正常的氨基酸。
44
化学毒物致突变的类型
➢基因突变 基因中DNA序列的改变，分为碱基置换和移码突变。 ➢染色体畸变 ➢染色体数目改变
45
二、染色体畸变(chromosome aberration)
46
➢ 染色体畸变（structural chromosome aberration）： 是指由于染色体或染色单体断裂，造成染色体或染色单体 缺失或引起各种重排，从而出现染色体结构异常。
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【目的要求】
➢掌握外源化学物的致突变作用 ➢掌握机体对致突变作用的影响 ➢熟悉致突变作用评价方法 ➢了解致突变作用的遗传学基础
9
【内容】
➢基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作用、致突变物 ➢致突变的类型：基因突变、染色体结构异常、染色体数目异常 ➢致突变作用机制 ➢突变的后果：生殖细胞突变，体细胞突变 ➢机体对致突变作用的影响 ➢致突变试验
用，也可能对人类产生危害。
21
年份 1904
1927
1943
1951 1966 1969
突变研究简史
事件
作者
发现X射线可以改变生殖细 De Vries 胞的遗传物质
用X射线照射发现可以引起 Muller 基因突变
发现芥子气可诱发基因和染 Averbach &
色体畸变
Robson
用X射线可诱发小鼠突变
➢突变基因：基因内存在突变的基因； ➢野生型基因：没有发生突变的基因。
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(一) 碱基置换（base subsititution)
碱基置换是某一碱基配对性能改变或脱落而 引起的突变。
➢ 转换(transition)：即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化 ➢ 颠换(transversion) ：即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化
毒理学基础
生殖医学国家重点实验室 现代毒理学教育部重点实验室
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Biblioteka Baidu 4
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第七章 外源性化学物致突变作用
（Chemical Mutagenesis）
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第一节、概述 第二节、外源化学物致突变的类型 第三节、外源化学物致突变作用的机制及后果 第四节、机体对致突变作用的影响 第五节、观察外源化学物致突变作用的基本方法
40
41
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。
➢ 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。
➢ 移码较易成为致死性突变 。
42
碱 基 置 换
移 码 突 变
43
注意：
❖ 如果减少或增加碱基对刚好是3对，则基因产物的肽链 中仅减少或增加一个氨基酸，其后果与碱基置换相似， 与移码突变不一样，不包括在移码突变范畴 。
23
❖致突变物 (mutagen)：凡能引起生物体遗传物质发生改变的 化学物质或任何环境因子，又称诱变剂。 ❖遗传毒物 (genotoxic agent)：由于致突变物能损伤遗传物质， 因此致突变物又称为遗传毒物。
24
➢直接致突变物 (direct-acting mutagen)：具有很高的化学活性， 其原型就可引起生物体突变的物质。 ➢间接致突变物 (indirect-acting mutagen)：本身不能引起突变， 必须在体内经过代谢活化，才具有致突变性的物质。
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• 孟德尔的豌豆杂交实验为现代遗 传学奠定了基础。
• 摩尔根(Morgan)以黑腹果蝇为材 料所进行的一系列实验，导致了 遗传学的许多重大发现。由于在 染色体遗传理论上的贡献，摩尔 根于1933年获诺贝尔生理学或医 学奖，这是遗传学领域的第一个 诺贝尔奖。
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摩尔根和他的学生利 用果蝇作了大量的研 究。1926年出版《基 因论》，建立了著名 的基因学说。
48
(1) 无着丝粒断片和缺失（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。
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常将无着丝粒断片简称为断片，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。如断片很小，小于染色单体宽度，则称 为微小体。
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非 整 倍 性 畸 变
57
➢ 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；于 是在染色体数目上相应为2n-2、2n-1，2n+1和2n+2 。
➢ 人类中常见有三种三体： （1）21-三体，即Down氏综合征，我国有60万，每20分钟生 一个； （2）18-三体，即Edward综合征； （3）13-三体，即Patau综合征。
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A 腺嘌呤
G 鸟嘌呤
T
C
胸腺嘧啶 胞嘧啶 30
AG G A transistions CT TC
A TTG T A G T transversions A CC G C AG C
Transitions are more common than transversions.
31
32
后果
➢ 同义突变(synonymous mutation)：指没有改变基因产物 氨基酸序列的改变。
34
致死突变：发生在必需基因上，严重影响
错
蛋白质功能的错义突变。
义
渗漏突变：突变的产物仍有部分活性，表
突
现型介于突变型与野生型之间。
变
中性突变：突变不影响或基本不影响蛋白 质的功能，性状改变不明显。
35
➢无义突变(nonsense mutation)：指某个碱基的改变使代 表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，导致 多肽链在成熟之前终止合成的改变。
Thomas Hunt Morgan （1866～1945）
14
• 摩尔根在《基因论》中绘制了果蝇基因位置图， 首次完成了当时最新的基因概念的描述；
• 基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不 仅是决定性状的功能单位，也是一个突变单位和 交换单位；
• 至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。
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第二节 化学毒物致突变的类型
从遗传学角度或突变角度分为：
➢基因突变 ➢染色体畸变 ➢染色体数目改变
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从机理角度分为：
➢ 以DNA为靶的损伤（包括基因突变和染 色体畸变）
➢ 不以DNA为靶的损伤（染色体数目异常）
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一、基因突变
❖ 基因突变（genetic mutation)：是指基因在结构 上发生了碱基对组成和排列序列的改变，也称为 点突变（point mutation)。 可分为碱基置换和移码突变两种类型 。
➢ 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。
39
碱 错义突变 基 置 换
THE DOT BIT THE CAR THE DOG BIT THE CAR
移 缺失 码 突 变 插入
THE DOB ITT HEC AR
THE DOA GBI TTH ECA R