遺傳毒性及其評(píng)價(jià)

關(guān)于遺傳毒性及其評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(jī)制第2頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)基本概念第3頁,共62頁，2024年2月25日，星期天遺傳毒理學(xué)(genetictoxicology)研究環(huán)境因素對機(jī)體遺傳物質(zhì)和遺傳過程的作用,闡明遺傳毒性對機(jī)體健康的后果及其作用機(jī)制,為保護(hù)人體健康和生態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù)的一門毒理學(xué)分支學(xué)科。基本概念第4頁,共62頁，2024年2月25日，星期天突變是一種遺傳狀態(tài)，是可以通過復(fù)制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)的永久性改變第5頁,共62頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)物質(zhì)遺傳物質(zhì)

突變(mutation)遺傳毒物(genotoxicant)

誘變劑(mutagen)致突變物能力－遺傳毒性(genetictoxicity/genotoxicity)誘變性(mutagenicity)致突變性直接致突變物—無需代謝活化

(direct-actingmutagen)間接致突變物—需代謝活化(indirect-actingmutagen)基本概念過程－致突變(mutagenesis)

第6頁,共62頁，2024年2月25日，星期天按發(fā)生方式

突變自發(fā)突變(spontaneousmutation)誘發(fā)突變(inducedmutation)頻率進(jìn)程后果低漸進(jìn)有益

高突然有害？第7頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)遺傳毒性的類型第8頁,共62頁，2024年2月25日，星期天從遺傳學(xué)角度分類

基因突變(genemutation)染色體結(jié)構(gòu)畸變(structuralchromosomeaberration)染色體數(shù)目畸變(numericalchromosomeaberration)從發(fā)生機(jī)制角度分類

以DNA為靶的損傷(包括基因突變和染色體結(jié)構(gòu)畸變）

不以DNA為靶的損傷(主要指染色體數(shù)目畸變）第9頁,共62頁，2024年2月25日，星期天遺傳毒性類型基因突變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)畸染色體數(shù)目畸變第10頁,共62頁，2024年2月25日，星期天指基因在結(jié)構(gòu)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(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變(二)根據(jù)對遺傳信息的改變(三)根據(jù)突變效應(yīng)方向分類第11頁,共62頁，2024年2月25日，星期天堿基置換(basesubstitution)：移碼突變(frameshiftmutation)三核苷酸重復(fù)(tripletrepeats)大段損傷(largefragmentdamge)遺傳毒性的類型基因突變的類型(一)根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的改變第12頁,共62頁，2024年2月25日，星期天堿基置換(basesubstitution)——DNA核苷酸鏈上出現(xiàn)錯(cuò)誤配對，某一堿基被另一堿基取代。因僅牽涉到一個(gè)堿基對，又稱點(diǎn)突變。轉(zhuǎn)換(transition)顛換(transvertion)遺傳毒性的類型基因突變AGTC第13頁,共62頁，2024年2月25日，星期天遺傳毒性的類型基因突變移碼突變(frameshiftmutation)

——基因編碼區(qū)內(nèi)缺失或增加的核苷酸數(shù)目不是3的倍數(shù)而改變遺傳閱讀框的突變。后果改變了產(chǎn)物的氨基酸組成，并可能使蛋白質(zhì)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；若插入或缺失三個(gè)堿基,閱讀框架不變，其產(chǎn)物常常有活性或有部分活性——整碼突變第14頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三核苷酸重復(fù)(tripletrepeats)

又稱三聯(lián)體重復(fù)或三核苷酸擴(kuò)展,即一特定的三聯(lián)核苷酸被擴(kuò)增，重復(fù)數(shù)目超過正常數(shù)目目前已知有三聯(lián)體重復(fù)的遺傳病：強(qiáng)直性肌營養(yǎng)不良癥、亨廷頓(Huntington’s)病、脆性X綜合征等。遺傳毒性的類型基因突變第15頁,共62頁，2024年2月25日，星期天大段損傷(largefragmentdamge)：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(gè)堿基至數(shù)千個(gè)堿基)的插入、缺失、取代、復(fù)制、放大和倒位。這類損傷有時(shí)可波及兩個(gè)基因甚至數(shù)個(gè)基因。遺傳毒性的類型基因突變第16頁,共62頁，2024年2月25日，星期天ABCDEFGHIJABCDEKLFGHIJABCDGHIJABCKLMGHIJABCDEFDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCGFEDHIJ正常插入缺失取代重復(fù)內(nèi)重復(fù)放大倒位基因突變第17頁,共62頁，2024年2月25日，星期天遺傳毒性的類型基因突變的類型(二)根據(jù)對遺傳信息的改變同義突變:是指沒有改變基因產(chǎn)物氨基酸序列的突變，與密碼子的兼并性有關(guān)錯(cuò)義突變:是指堿基序列的改變引起了產(chǎn)物氨基酸序列的改變無義突變:是指某個(gè)堿基的改變使代表某個(gè)氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍踪|(zhì)合成的終止密碼子導(dǎo)致多肽鏈在成熟之前終止合成第18頁,共62頁，2024年2月25日，星期天(三)根據(jù)突變效應(yīng)方向分類正向突變:是指改變了野生型性狀的突變回復(fù)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(fù)（原點(diǎn)恢復(fù)突變很少）

突變型野生型回復(fù)突變正向突變未發(fā)生突變的基因基因內(nèi)存在突變位點(diǎn)遺傳毒性的類型基因突變的類型第19頁,共62頁，2024年2月25日，星期天染色體結(jié)構(gòu)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(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)的異常染色體型畸變－兩條染色單體均涉及

（DNA復(fù)制前損傷）染色單體型畸變－僅涉及一條染色單體（DNA復(fù)制后損傷）斷裂劑—凡能引起染色體斷裂的化學(xué)物質(zhì)第20頁,共62頁，2024年2月25日，星期天染色體結(jié)構(gòu)畸變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)畸變裂隙(gap)

斷裂(break)斷片(fragment)和缺失(deletion)

微小體(minutebody)

無著絲點(diǎn)環(huán)環(huán)狀染色體

雙著絲點(diǎn)染色體

倒位(inversion)

易位(translocation)

插入(insertion)和重復(fù)(duplication)輻射體

遺傳毒性的類型第21頁,共62頁，2024年2月25日，星期天雙著絲粒染色體和無著絲粒無著絲粒環(huán)第22頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三輻體第23頁,共62頁，2024年2月25日，星期天四輻體第24頁,共62頁，2024年2月25日，星期天核內(nèi)復(fù)制第25頁,共62頁，2024年2月25日，星期天類型公式染色體組整倍體單倍體二倍體三倍體四倍體非整倍體單體三體四體雙三體缺體n2n3n4n2n-12n+12n+22n+1+12n-2(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABC)(ABCD)(ABCD)(A)(ABCD)(ABCD)(AA)(ABCD)(ABCD)(AB)(ABC)(ABC)注：A、B、C、D代表非同源染色體染色體數(shù)目畸變遺傳毒性的類型第26頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)遺傳毒性的形成機(jī)制第27頁,共62頁，2024年2月25日，星期天致突變機(jī)制模式DNA損傷－修復(fù)－突變遺傳毒性的機(jī)制第28頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、DNA損傷(DNAdamage)

在遺傳毒物的作用下，DNA的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄受到阻礙遺傳毒性的機(jī)制堿基損傷DNA鏈損傷第29頁,共62頁，2024年2月25日，星期天(一)堿基損傷1.堿基錯(cuò)配2.平面大分子嵌入DNA鏈第30頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3.堿基類似物取代

BrdU(

5-脫氧尿嘧啶核苷)

取代T互變異構(gòu)

堿基置換錯(cuò)配（A:TG:CG:CA:T）

2-AP（2-氨基嘌呤）

取代鳥嘌呤互變異構(gòu)

堿基置換錯(cuò)配(A:TG:C)

4.堿基的化學(xué)修飾

堿基氧化脫氨--亞硝基引起第31頁,共62頁，2024年2月25日，星期天DNA鏈上相鄰的嘧啶共價(jià)相連，形成TT、TC、CC等嘧啶二聚體H-NH-NN-HN-HNNNNO‖O‖O‖O‖CH3CH3CH3CH3UV等‖O‖OOO‖‖32(二)DNA鏈損傷1.二聚體的形成第32頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2.DNA加合物的形成

活性化學(xué)物與DNA、蛋白等細(xì)胞大分子之間通過共價(jià)鍵形成的穩(wěn)定復(fù)合物，通常很難用一般的化學(xué)或生物學(xué)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(gòu)象明顯變化，阻斷受損部位復(fù)制轉(zhuǎn)錄或?qū)е乱拼a突變小加合物代表物：烷化劑、亞硝基化合物后果：對DNA構(gòu)象影響較小，易導(dǎo)致堿基錯(cuò)配第33頁,共62頁，2024年2月25日，星期天DNA-DNA交聯(lián)

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(bǔ)鏈上的相應(yīng)堿基形成共價(jià)連接，致使復(fù)制時(shí)不能解鏈，復(fù)制和轉(zhuǎn)錄終止DNA鏈內(nèi)、鏈間、DNA與蛋白質(zhì)的交聯(lián)

代表物：多功能烷化劑后果：交聯(lián)后不易修復(fù)或易錯(cuò)修復(fù)，高度致突變，并致染色體斷裂，易導(dǎo)致死性突變3.交聯(lián)分子的形成第34頁,共62頁，2024年2月25日，星期天堿基改變單鏈斷裂雙鏈斷裂鏈內(nèi)交聯(lián)蛋白質(zhì)間交聯(lián)DNA－蛋白質(zhì)交聯(lián)無堿基位點(diǎn)鏈間交聯(lián)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(jià)結(jié)合DNA－DNA交聯(lián)DNA－蛋白質(zhì)交聯(lián)……第35頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、DNA修復(fù)

DNA損傷修復(fù)按其機(jī)制可分為:損傷修復(fù)機(jī)制（repairmechanisms）損傷耐受機(jī)制（tolerancemechanisms）遺傳毒性的機(jī)制第36頁,共62頁，2024年2月25日，星期天(一)損傷的逆轉(zhuǎn)—直接修復(fù)損傷修復(fù)機(jī)制(repairmechanisms)

堿基切除修復(fù)(Baseexcisionrepair,BER)

(二)切除修復(fù)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(dòng),由多個(gè)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第37頁,共62頁，2024年2月25日，星期天核苷酸切除修復(fù)(Nucleotideexcisionrepair,NER)

最常見，是體內(nèi)識(shí)別DNA損傷最多的修復(fù)通路在DNA內(nèi)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(bǔ)切去的部分第38頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（四）鏈斷裂的修復(fù)（五）交聯(lián)修復(fù)（六）跨損傷的DNA合成（三）錯(cuò)配修復(fù)(mismatchrepair,MMR)第40頁,共62頁，2024年2月25日，星期天損傷耐受機(jī)制(tolerancemechanisms)-未清除DNA損傷，但可允許細(xì)胞存活（一）重組修復(fù)－復(fù)制后修復(fù)

（二）SOS修復(fù)

在大腸桿菌，阻止DNA復(fù)制的損傷等可誘發(fā)SOS修復(fù)系統(tǒng)，即誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生特殊的DNA聚合酶，以不嚴(yán)格的堿基配對使復(fù)制通過損傷部位通過SOS修復(fù)，細(xì)胞得以存活，但常導(dǎo)入錯(cuò)誤的堿基，故為易錯(cuò)修復(fù)第41頁,共62頁，2024年2月25日，星期天常見的DNA損傷及其修復(fù)機(jī)制DNA損傷因素

DNA損傷類型修復(fù)機(jī)制X射線氧自由基烷化劑自發(fā)脫堿基單鏈斷裂無堿基位點(diǎn)氧化性堿基堿基切除修復(fù)紫外線多環(huán)芳烴嘧啶二聚體大分子DNA加合物核苷酸切除修復(fù)抗癌藥（如順鉑絲裂霉素）雙鏈斷裂鏈間交聯(lián)雙鏈斷裂修復(fù)（同源重組修復(fù)和末端連接）復(fù)制錯(cuò)誤烷化劑堿基錯(cuò)配堿基缺失堿基插入錯(cuò)配修復(fù)第42頁,共62頁，2024年2月25日，星期天錯(cuò)配修復(fù)切除修復(fù)直接修復(fù)雙鏈損傷單鏈損傷單個(gè)核苷酸的短補(bǔ)片添加轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER多個(gè)核苷酸的長補(bǔ)片合成全基因組NER堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)非同源性末端連接同源重組DNA修復(fù)第43頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三、整倍體和非整倍體的形成對DNA合成和修復(fù)有關(guān)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(jié)合

與微管上的巰基結(jié)合

破壞已組裝的微管

妨礙中心粒移動(dòng)

遺傳毒性的機(jī)制第44頁,共62頁，2024年2月25日，星期天表觀遺傳突變(epimutation)與突變環(huán)境因素可以通過基因組的可遺傳的變異導(dǎo)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(jī)制。環(huán)境物質(zhì)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(dǎo)致功能基因表達(dá)改變，引起表型的改變。

第45頁,共62頁，2024年2月25日，星期天遺傳毒物的作用機(jī)制第46頁,共62頁，2024年2月25日，星期天致突變機(jī)制模式DNA損傷－修復(fù)－突變第47頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)遺傳毒性的后果第48頁,共62頁，2024年2月25日，星期天遺傳毒物遺傳毒性的后果衰老未分化的胚胎細(xì)胞受損流產(chǎn)死胎結(jié)構(gòu)或功能畸形腫瘤？已分化的胚胎細(xì)胞受損動(dòng)脈硬化生殖細(xì)胞突變

體細(xì)胞突變不育遺傳負(fù)荷增加流產(chǎn)死胎遺傳病遺傳負(fù)荷(geneticload):一個(gè)群體由于有害等位基因存在而使適應(yīng)度下降的現(xiàn)象。以人群中平均每個(gè)個(gè)體攜帶的有害基因的數(shù)量來表示。第49頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)遺傳毒性的檢測方法第50頁,共62頁，2024年2月25日，星期天檢測基因突變

檢測染色體畸變檢測DNA損傷

第51頁,共62頁，2024年2月25日，星期天檢測基因突變

細(xì)菌回復(fù)突變試驗(yàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因突變試驗(yàn)昆蟲突變試驗(yàn)哺乳動(dòng)物體內(nèi)突變分析

昆蟲突變試驗(yàn)

第52頁,共62頁，2024年2月25日，星期天檢測基因突變

分子生物學(xué)技術(shù)基因組測序基因芯片轉(zhuǎn)基因動(dòng)物突變檢測系統(tǒng)……第53頁,共62頁，2024年2月25日，星期天檢測染色體畸變哺乳動(dòng)物體外細(xì)胞遺傳學(xué)分析哺乳動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞遺傳學(xué)分析

第54頁,共62頁，2024年2月25日，星期天檢測DNA損傷DNA鏈斷裂程序外DNA合成(UDS)DNA加合物的檢測DNA修復(fù)的檢測姐妹染色單體交換（SCE）

單細(xì)胞凝膠電泳第55頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)遺傳毒性的評(píng)價(jià)第56頁,共62頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)不同的測試對象和目的選擇試驗(yàn)組合遺傳試驗(yàn)組合的原則試驗(yàn)組應(yīng)能檢測多個(gè)遺傳學(xué)終點(diǎn)指示生物應(yīng)包括幾個(gè)進(jìn)化階段，至少要包括原核細(xì)胞與真核細(xì)胞兩個(gè)系統(tǒng)應(yīng)包括體細(xì)胞和生殖細(xì)胞突變試驗(yàn)應(yīng)包括體內(nèi)試驗(yàn)與體外試驗(yàn)體外試驗(yàn)應(yīng)包括加與不加代謝活化系統(tǒng)第57頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一些國家新藥遺傳毒性評(píng)價(jià)的項(xiàng)目試驗(yàn)項(xiàng)目日本

歐共體

加拿大

中國

微生物回復(fù)突變試驗(yàn)++++哺