第五章环境化学物的特殊毒性及其评价

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第五章环境化学物的特 殊毒性及其评价
2020/12/11
第五章环境化学物的特殊毒性及其评 价
第一节 环境化学物的致突变性及其评价
第五章环境化学物的特殊毒性及其评 价
一、概述 物种的各个体和各代之间的种种变化称为变异。
可遗传变异即称为突变(mutation)。有自发的和诱 发的。
相当多的外来化学物能直接损伤DNA或产生其 他遗传学改变而使基因和染色体发生改变——遗传 毒物或致突变物或诱变剂。
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2. 哺乳动物细胞基因突变试验 哺乳动物细胞基因突变试验是利用啮齿类和人体外培养细胞
的基因正向突变试验。
常用细胞株 小鼠淋巴瘤细胞L5178Y 中国仓鼠卵巢组织细胞CHO 中国仓鼠肺组织细胞V79 人淋巴细胞
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(6)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
段的两断端连接形成一个环时,称为环状染色体。
(7)双着丝粒染色体(dicentric chromosome) 两条染色体断裂后,两个有着丝粒的节段重接形
成。
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碱基切除修复:
A:六边型表示错误的碱基 B:DNA糖基化酶切除错误的碱基 C:AP内切核酸酶及AP裂解酶切除 磷酸二酯链及糖基 D:DNA聚合酶填补单一核苷酸。 E:DNA连接酶封闭 缺口
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错配碱基修复(mismatch base repair)是一种特殊的切除修复形式, 通过该机制可去除不正确的碱基配对,如G:T和A:C。
插入到另一臂的断裂处或另一染色体的断裂处重接 起来,称为插入。
如此时有缺失的染色体和有插入的染色体是同源 染色体,且分别有一处断裂发生于同一位点,则插 入将使该染色体连续出现两段完全相同的节段,此 时称为重复。
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(11)辐射体 染色体间的不平衡易位可形成三条臂构型或四
段接到另一染色体上称为易位。 两条染色体同时断裂,相互交换断片并重接——相
互易位 仅一个染色体节段连接到另一染色体上——单方易
位; 三个或三个以上染色体断裂、重接——复杂易位
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(10)插入(insertion)和重复(duplication) 当一个染色体发生三处断裂,带有两断端的断片
烷化剂可提供甲基或乙基等烷基,与DNA发生共价结 合。对DNA和蛋白质都有强烈烷化作用。各类烷化剂烷化 活性有别,一般情况下甲基化>乙基化>高碳烷基化。
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3、改变或破坏碱基的化学结构 某些诱变剂可与碱基发生相互作用,使碱基发生化学结构变 化,引起错误配对或引起DNA链断裂。例如,亚硝酸根能使 腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化性脱氨,相应变为次黄嘌呤和尿嘧 啶。 4、大分子嵌入DNA链
有些化学物的结构与碱基非常相似,称碱基类似物。它们能 可与天然碱基竞争,并取代其位置,而掺入到DNA分子中, 引起剑姬配对特性的改变,引发突变。
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2、与DNA分子共价结合形成加合物 许多亲电子性化学物可与DNA作用形成加合物
(adduction)。不同诱变剂与DNA作用的碱基位置不同, 可引起不同类型的突变。
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原理: Ames试验,检测受试物诱发鼠伤寒沙门氏菌
组氨酸营养缺陷型突变株(his-)回复突变成野生 型(his+)的能力。试验菌株都有组氨酸突变(his-), 不能自行合成组氨酸,在不含组氨酸的最低营 养平皿上不能生长,回复突变成野生型后能自 行合成组氨酸,可在最低营养平皿上生长成可 见菌落。计数最低营养平皿上的回变菌落数来 判定受试物是否有致突变性。
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(2)复制后修复 这个系统是在DNA复制时
模板链上含有损伤的碱基导致 子链产生裂缺,这是在复制时 产生的,所此修复系统也属于 复制后修复。
复制时新合成的互补链相应部 位出现空隙,随后以重组作用 及链延长作用填补。通过此机 制,使DNA合成得以通过损伤 部位,避免了致死性的后果, 但存在的DNA损伤并末移除, 仍有待通过其他的修复机制而 修复。
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(1)裂隙(gap) 在染色体上出现无染色质的区域,但该区域两端
的染色体仍保持线状连接者为裂隙。一般认为裂隙 属于非染色质损伤。裂隙不计入畸变范围。
(2)断裂(break) 指染色体上狭窄
的非染色带,无线状 连接者为断裂。
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(3)断片(fragment)和 缺失(deletion) 一个染色体发生一次或多次断裂而不重接,并且
(8)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。 臂间倒位:颠倒的是具有中间着丝粒的中间节段 臂内倒位:颠倒的是长臂或短臂内的一段
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(9)易位(translocation) 两个非同源染色体断裂后,从某个染色体断下的节
DNA损伤修复过程涉及许多酶的参与。同代谢酶的多 态性一样,DNA损伤修复酶也有多态性,即其基因型或表型 存在个体差异。DNA损伤修复酶的多态性在一定程度上影响 着个体对遗传毒性因素的易感性。
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四、突变的不良后果
突变的靶细胞有体细胞和生殖细胞 (一)体细胞突变的后果 1、癌变 2、畸变:胚胎体细胞突变,造成畸胎 3、其他不良后果:动脉粥样硬化、衰老。 (二)生殖细胞突变的后果 1、致死性 2、可遗传的改变:显性遗传病、隐性遗传病
2、整倍体 指染色体数目的异常是以染色体组为单位的增减,
如三倍体、四倍体。
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三、致突变作用机理
外源化学物引起基因突变和染色体突变的靶部位主要是 DNA,而导致染色体数目异常的靶部位主要是有丝分裂和减 数分裂器,如纺锤丝。 (一)DNA损伤和突变 1、碱基类似物的取代
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O6-甲基鸟嘌呤修复:修复在O6位上含有烷基的鸟嘌呤,靠O6甲基鸟漂吟-DNA-甲基转移酶将O6-甲基鸟嘌呤的甲基转移至 该酶的半胱氨酸残基上,而恢复鸟嘌呤正常的碱基配对特性, 该酶在修复过程中被不可逆地失活。
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b、切除修复(excixion-repair) 由于这过程并不依赖于光的存在故又 称为暗修复(dark repair)。依据切除 对象的不同,分为核苷酸切除修复(大 段异常核苷酸);碱基切除修复(个别 异常碱基);错配碱基修复
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3、整码突变 指在DNA中增加或减少的碱基对为一个或几个密码
子。
4、片断突变 指基因中某些小片断核苷酸序列发生改变。这种损
伤有时可跨越两个或数个基因。片断突变包括缺失、 重复、重组、重排。
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(二)染色体突变
也称染色体畸变,是染色体或染色体单体受损而发生断裂,且 断端不发生重接或虽重接却不在原处。能使染色体或染色单体 发生断裂的物质称为断裂剂,这种作用的发生及其过程称为断 裂作用。断裂作用的关键是诱发DNA链断裂。
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五、致突变作用的评价
(一)致突变试验的分类 目前有200多种,重要的和常规使用的大约20多种。依据检
测的遗传学终点的不同,可分为四类:基因突变试验、染色 体损伤试验、非整倍体试验和其他反映DNA损伤的试验。
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(二)常用的致突变试验 1、细菌回复突变试验 细菌回复突变试验是以营养缺陷的突变体菌株为试验系 统,观察受试物引起其回复突变的作用。 常用的菌株: 色氨酸营养缺陷型的大肠杆菌——大肠杆菌回复试验 组氨酸营养缺陷型鼠伤寒沙门氏菌——Ames实验
转换(transition):嘌呤与嘌呤碱基之间的置换,或嘧 啶与嘧啶之间的置换。
颠换(transversion):嘌呤与嘧啶碱基之间的置换。
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2、移码 移码是从mRNA到蛋白质翻译过程中遗传密码子读码顺
序的突变,通常是基因中增加或减少了一对或几对不等于 3的倍数的碱基对所造成的突变。
由于纺锤体形成不完全或着丝粒受损使得染色体在分离 过程中没有进入任一个子细胞核中。
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整倍体诱发的原因
1、纺锤体受损,有丝分裂染色体 组不分离,形成四倍体; 2、减数分裂异常使配子形成二倍 体,若二倍体的配子受精,可形成 多倍体受精卵; 3、一个卵子被多个精子受精,形 成多倍体。
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核苷酸切除修复(nucleotide excision repair)是所有 生物体内最常见的修复机制。它可修复几乎所有的 DNA损伤类型,包括其他修复机制不能修复的加合 物及DNA链间交联等。
修复时,先靠内切酶把DNA链从损伤两端切断; 在解螺旋酶作用下,除去受损的寡核苷酸;再在修 复多聚酶的作用下,以对应的链为模板,以正确的 碱基填补空隙;最后在DNA连接酶作用下连接,恢 复原来的序列。
条臂构型,分别称为三辐射体和四辐射体。在多 个染色体间的单体互换可形成复合射体。
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(三)基因组突变 指基因组中染色体数目的改变,也称染色体数目畸
变。
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1、非整倍体 指细胞丢失或增加一条或多条染色体。 缺失一条染色体称为单体, 增加一条染色体称为三体。
这些已断裂的节段远远分开,常将无着丝粒断片简 称为断片。
有着丝粒的部分称为缺失,缺失有末端缺失和中间 缺失。
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(4) 微小体(minute body) 中间缺失如断片很小,小于染色单体宽度,
呈圆点状,称为微小体。 (5)无着丝粒环(acentric ring)
一条较长的无着丝粒断片的两端连接,就形成无 着丝粒环。
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二、突变的类型 突变的基础是遗传物质的DNA改变,根据DNA改变 牵涉的范围大小,可以将遗传损伤分为三类:基因 突变、染色体突变和基因组突变。
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(一)基因突变 指在基因序列中DNA序列的改变,也叫点突变。 1、碱基置换 碱基置换指DNA序列上的某个碱基被其他碱基取代。首先在 DNA复制时会使互补链的相应位点配上一个错误的碱基,即发 生错误配对。这一错误配上的碱基在下一次DNA复制时却能按 正常规律配对,于是一对错误的碱基置换了原来的碱基对,亦 即最终产生碱基对置换或简称碱基置换。
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(三)DNA损伤的修复和突变 1、生物体DNA损失修复系统 (1) 复制前的修复过程——精确修复,包括直接修复和 切除修复 a、直接修复:包括光修复和 O6-甲基鸟嘌呤修复
光修复:针对紫外线引起的嘧啶 二聚体修复功能,修复的过程是 通过在波长范围为320~370 mm 的可见光中,二聚体可直接恢复 成原来的样子。催化光复活反应 的酶叫做光裂合酶。
如吖啶类染料(吖啶橙),是一种平面型三环分子,结构 与一个嘌呤-嘧啶对十分相似,能嵌入两个相邻的DNA碱基 对之间,造成移码突变。
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(二)非整倍体及整倍体的诱发 非整倍体畸变的原因:
(1) 不分离: 同源染色体在第一次减数分裂中不分离; 姐妹染色体在第二次减数分裂或有丝分裂中不分离。 (2)染色体丢失
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2. DNA损伤修复与突变 突变的产生不仅与DNA受损的情况有关,DNA损伤修
复也是决定突变发生与否的重要因素。DNA损伤修复功能的 缺失或修复能力降低都会使突变的发生明显增加。
不同生物损伤修复功能的类型及能力有所不同,如人类 的修复能力比小鼠大10倍左右。在使用元原核生物及动物进 行致突变试验,并用其结果外推到人时,要考虑到DNA损伤 修复系统的差别。
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