遺傳毒性及其評價

1、外源化學物的遺傳毒性及其評價,第一節(jié) 基本概念,第二節(jié) 遺傳毒性的類型,第六節(jié) 遺傳毒性的評價,第五節(jié) 遺傳毒性的檢測方法,第四節(jié) 遺傳毒性的后果,第三節(jié) 遺傳毒性的機制,第一節(jié) 基本概念,遺傳毒理學(genetic toxicology,研究環(huán)境因素對機體遺傳物質和遺傳過程的作用, 闡明遺傳毒性對機體健康的后果及其作用機制,為保護人體健康和生態(tài)平衡提供科學依據的一門毒理學分支學科,基本概念,突變是一種遺傳狀態(tài)，是可以通過復制而遺傳的DNA結構的永久性改變,化學物質,遺傳物質,突 變 (mutation,遺傳毒物(genotoxicant) 誘變劑(mutagen) 致突變物,能力遺傳毒性(g

2、enetic toxicity /genotoxicity) 誘變性(mutagenicity) 致突變性,直接致突變物無需代謝活化 (direct-acting mutagen) 間接致突變物需代謝活化 (indirect-acting mutagen,基本概念,過程致突變(mutagenesis,按發(fā)生方式,突變,自發(fā)突變 (spontaneous mutation) 誘發(fā)突變 (induced mutation,頻率 進程 后果 低 漸進 有益 高 突然 有害,第二節(jié) 遺傳毒性的類型,從遺傳學角度分類 基因突變(gene mutation) 染色體結構畸變(structural chro

3、mosome aberration) 染色體數目畸變(numerical chromosome aberration,從發(fā)生機制角度分類 以DNA為靶的損傷(包括基因突變和染色體結構畸變） 不以DNA為靶的損傷(主要指染色體數目畸變,遺傳毒性類型,基因突變 染色體結構畸 染色體數目畸變,指基因在結構上發(fā)生了堿基對組成和排列序列的改變,遺傳毒性的類型,基因突變,基因突變的類型,一) 根據基因結構的改變,二) 根據對遺傳信息的改變,三) 根據突變效應方向分類,堿基置換(base substitution)： 移碼突變(frameshift mutation) 三核苷酸重復(triplet repe

4、ats) 大段損傷(large fragment damge,遺傳毒性的類型,基因突變的類型,一) 根據基因結構的改變,堿基置換(base substitution) DNA核苷酸鏈上出現錯誤配對，某一堿基被另一堿基取代。 因僅牽涉到一個堿基對，又稱點突變。 轉換(transition) 顛換(transvertion,遺傳毒性的類型,基因突變,遺傳毒性的類型,基因突變,移碼突變(frameshift mutation) 基因編碼區(qū)內缺失或增加的核苷酸數目不是3的倍數而改變遺傳閱讀框的突變,后 果 改變了產物的氨基酸組成，并可能使蛋白質合成過早終止； 若移碼突變發(fā)生在必需堿基，則可能是致死的；

5、 若插入或缺失三個堿基, 閱讀框架不變，其產物常常有活性 或 有部分活性整碼突變,三核苷酸重復(triplet repeats) 又稱三聯體重復或三核苷酸擴展,即一特定的三聯核苷酸被擴增，重復數目超過正常數目 目前已知有三聯體重復的遺傳?。簭娭毙约I養(yǎng)不良癥、亨廷頓(Huntingtons)病、脆性X綜合征等,遺傳毒性的類型,基因突變,大段損傷(large fragment damge)：亦稱DNA重排 指DNA序列上有較長的一段序列的重排分布,包括大段(一個堿基至數千個堿基)的插入、缺失、取代、復制、放大和倒位。這類損傷有時可波及兩個基因甚至數個基因,遺傳毒性的類型,基因突變,ABCDEFG

6、HIJ,ABCDEKLFGHIJ,ABCDGHIJ,ABCKLMGHIJ,ABCDEFDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJ,ABCDEFGHIJ,ABCGFEDHIJ,正常 插入 缺失 取代 重復 內重復 放大 倒位,基因突變,遺傳毒性的類型,基因突變的類型,二) 根據對遺傳信息的改變,同義突變: 是指沒有改變基因產物氨基酸序列的突 變，與密碼子的兼并性有關,錯義突變: 是指堿基序列的改變引起了產物氨基酸 序列的改變,無義突變 :是指某個堿基的改變使代表某個氨基酸 的密碼子變?yōu)榈鞍踪|合成的終止密碼子 導致多肽鏈在

7、成熟之前終止合成,三)根據突變效應方向分類,正向突變:是指改變了野生型性狀的突變 回復突變:是指突變體所失去的野生型性狀可以通 過第二次突變恢復（原點恢復突變很少,遺傳毒性的類型,基因突變的類型,染色體結構畸變,遺傳毒性的類型,由于染色體或染色單體斷裂，造成缺失或引起各種重排，從而出現染色體結構的異常,染色體型畸變兩條染色單體均涉及 （DNA復制前損傷） 染色單體型畸變僅涉及一條染色單體（DNA復制后損傷,斷裂劑凡能引起染色體斷裂的化學物質,染色體結構畸變,遺傳毒性的類型,雙著絲粒染色體和無著絲粒,無著絲粒環(huán),三輻體,四輻體,核內復制,注：A、B、C、D代表非同源染色體,染色體數目畸變,遺傳毒

8、性的類型,第三節(jié) 遺傳毒性的形成機制,致突變機制模式,DNA損傷修復突變,遺傳毒性的機制,一、DNA損傷(DNA damage) 在遺傳毒物的作用下，DNA的結構和功能發(fā)生改變，DNA的復制與轉錄受到阻礙,遺傳毒性的機制,堿基損傷 DNA鏈損傷,一)堿基損傷 1. 堿基錯配,2.平面大分子嵌入DNA鏈,3.堿基類似物取代 BrdU( 5-脫氧尿嘧啶核苷)取代T 互變異構 堿基置換 錯配（ A:T G:C G:C A:T,2-AP（2-氨基嘌呤） 取代鳥嘌呤互變異構 堿基置換 錯配 (A:T G:C,4. 堿基的化學修飾 堿基氧化脫氨-亞硝基引起,DNA鏈上相鄰的嘧啶共價相連，形成TT、TC、C

9、C等嘧啶二聚體,二)DNA鏈損傷,1.二聚體的形成,2.DNA加合物的形成 活性化學物與DNA、蛋白等細胞大分子之間通過共價鍵形成的穩(wěn)定復合物，通常很難用一般的化學或生物學方法使其解離 大加合物 代表物：多環(huán)芳烴、生物毒素、黃曲霉毒素B、芳香胺類 后 果：DNA立體構象明顯變化，阻斷受損部位復制轉錄 或導致移碼突變 小加合物 代表物：烷化劑、亞硝基化合物 后 果：對DNA構象影響較小，易導致堿基錯配,DNA-DNA交聯 代表物：亞硝酸、絲裂霉素C、氮和硫的芥子氣、各種鉑的衍生物等 后 果： DNA分子上一條鏈的堿基與互補鏈上的相應堿基形成共價連接，致使復制時不能解鏈，復制和轉錄終止,DNA鏈內

10、、鏈間、DNA與蛋白質的交聯 代表物：多功能烷化劑 后 果：交聯后不易修復或易錯修復，高度致突變，并致 染色體斷裂，易導致死性突變,3.交聯分子的形成,DNA損傷的常見類型,堿基類似物的取代 鏈間嵌入 DNA鏈斷裂 DNA堿基修飾 堿基烷化和共價結合 DNADNA交聯 DNA蛋白質交聯,二、DNA修復,DNA損傷修復按其機制可分為: 損傷修復機制（repair mechanisms） 損傷耐受機制（tolerance mechanisms,遺傳毒性的機制,一) 損傷的逆轉直接修復,損傷修復機制(repair mechanisms,堿基切除修復(Base excision repair, BER

11、,二) 切除修復,切除和替換損傷的DNA堿基 受損堿基移除由DNA糖基化酶啟動,由多個酶共同完成 主要針對DNA單鏈斷裂、小的堿基改變及氧化性損傷,核苷酸切除修復(Nucleotide excision repair, NER,最常見，是體內識別 DNA 損傷最多的修復通路 在DNA內切酶、外切酶、 DNA聚合酶、DNA連接酶等共同作用下，將DNA受損部位切除，并以另一條完整的DNA鏈為模板，再填補切去的部分,四）鏈斷裂的修復,五）交聯修復,六）跨損傷的DNA合成,三）錯配修復(mismatch repair,MMR,損傷耐受機制(tolerance mechanisms)-未清除DNA損傷，

12、但可允許細胞存活,一）重組修復 復制后修復,二）SOS修復,在大腸桿菌，阻止DNA復制的損傷等可誘發(fā)SOS修復系統(tǒng)，即誘導細胞產生特殊的DNA聚合酶，以不嚴格的堿基配對使復制通過損傷部位 通過SOS修復，細胞得以存活，但常導入錯誤的堿基，故為易錯修復,常見的DNA損傷及其修復機制,錯配修復,切除修復,直接修復,雙鏈損傷,單鏈損傷,單個核苷 酸的短補 片添加,轉錄偶聯 性NER,多個核苷 酸的長補 片合成,全基因 組NER,堿基切除修復,核苷酸切除修復,非同源性末端連接,同源重組,DNA修復,三、整倍體和非整倍體的形成,對DNA合成和修復有關的酶系統(tǒng)的作用 對紡錘體的毒作用 與微管蛋白二聚體結合

13、 與微管上的巰基結合 破壞已組裝的微管 妨礙中心粒移動,遺傳毒性的機制,表觀遺傳突變(epimutation) 與突變,環(huán)境因素可以通過基因組的可遺傳的變異導致有害的表型改變。然而, 突變并不是基因組可遺傳變異的唯一機制。環(huán)境物質也可直接或間接改變甲基化模式和表觀遺傳狀態(tài)等非DNA序列信息，導致功能基因表達改變，引起表型的改變,遺傳毒物的作用機制,致突變機制模式,DNA損傷修復突變,第四節(jié) 遺傳毒性的后果,遺傳毒物,遺傳毒性的后果,遺傳負荷(genetic load):一個群體由于有害等位基因存在而使適應度下降的現象。以人群中平均每個個體攜帶的有害基因的數量來表示,第五節(jié) 遺傳毒性的檢測方法,

14、檢測基因突變 檢測染色體畸變 檢測DNA損傷,檢測基因突變,細菌回復突變試驗,哺乳動物細胞基因突變試驗,昆蟲突變試驗,哺乳動物體內突變分析,昆蟲突變試驗,檢測基因突變,分子生物學技術,基因組測序 基因芯片 轉基因動物突變檢測系統(tǒng),檢測染色體畸變,哺乳動物體外細胞遺傳學分析,哺乳動物體內細胞遺傳學分析,檢測DNA損傷,DNA鏈斷裂 程序外DNA合成(UDS) DNA加合物的檢測 DNA修復的檢測 姐妹染色單體交換（SCE） 單細胞凝膠電泳,第六節(jié) 遺傳毒性的評價,根據不同的測試對象和目的選擇試驗組合,遺傳試驗組合的原則,試驗組應能檢測多個遺傳學終點 指示生物應包括幾個進化階段，至少要包括原核細胞與真核細胞兩個系統(tǒng) 應包括體細胞和生殖細胞突變試驗 應包括體內試驗與體外試驗 體外試驗應包括加與不加代謝活化系統(tǒng),一些國家新藥遺傳毒性評價的項目,判斷化合物是否有致突變性的標準,陽性：在檢出任一遺傳學終點的生物學試驗中 呈現陽性反應的物質 陰性：需檢測五種遺傳學終點的一系列試驗中 均為陰性 DNA完整性改變 DNA重排或交換 DNA堿基序列改變 染色體完整性改變 染色體分離改變 確定