《毒理学 toxicology》课程教学资源（教材讲义）第六章环境有害因素致突变作用.doc_大学文库

第六章环境有害因素致突变作用第一节基本概念和类型、基本概念生物的个体和各代之间存在着种种差异,我们通常称之为变异( variation )。基于染色体和基因的变异才能够遗传,而遗传变异称为突变( mutation)。突变的发生及其过程就是致突变作用( mutagenesis)。突变可分为自发突变 ( natural或 sporadic mutation)和诱发突变( induced mutation)。各物种的自发突变频率较低,而诱发突变比较常见,诱发突变指由于物理、化学、生物等环境因素引起的突变。至今,已发现相当数量的外源化学物能损伤遗传物质,从而诱发突变,这些物质称为致突变物或诱变剂( mutagen),也称为遗传毒物 (genotoxic agent 二、突变的类型按作用后果或遗传物质损伤的性质等可将诱发突变分类。一般根据遗传物质的损伤能否在显微镜下直接观察到分为染色体畸变( chromosome aberration)和基因突变( gene mutation)两类:染色体损伤大于或等于0.2微米时,可在光学显微镜下观察到,称为染色体畸变;若小于这一下限,不能在镜下直接观察到, 要依靠对其后代的生理、生化、结构等表型变化判断突变的发生,称为基因突变 ( gene mutation),亦称点突变( point mutation)。 (一)基因突变分子水平遗传物质的改变,包括碱基置换( base substitution)、移码突变 ( frame- shift mutations)和大段损伤 1、碱基置换碱基置换是首先在DNA复制时由于互补链的相应配位点配上一个错误的碱基,而这一错误的碱基在下一次DNA复制时发生错误配对( mispairing),错误的碱基对置换了原来的碱基对,亦即产生最终的碱基对置换(base-pair substitution)或称碱基置换。它包括转换和颠换两种情况:原来的嘌呤被另嘌呤置换或原来的嘧啶被另一嘧啶置换,我们称之为转换( transition);若原来的嘌呤被嘧啶置换或原来的嘧啶被嘌呤置换,我们则称之为颠换 ( transversion)。无论是转换还是颠换都只涉及一对碱基,其结果可造成一个三联体密码子的改变,可能出现同义密码、错义密码和终止密码。由于错义密码所编码的氨基酸不同,表达的蛋白质可能发生改变;如果错义密码为终止密码, 可使所编码的蛋白质的肽链缩短

第六章环境有害因素致突变作用第一节基本概念和类型一、基本概念生物的个体和各代之间存在着种种差异，我们通常称之为变异（variation ）。基于染色体和基因的变异才能够遗传，而遗传变异称为突变（mutation）。突变的发生及其过程就是致突变作用（mutagenesis）。突变可分为自发突变 (natural 或 sporadic mutation)和诱发突变(induced mutation）。各物种的自发突变频率较低, 而诱发突变比较常见, 诱发突变指由于物理、化学、生物等环境因素引起的突变。至今, 已发现相当数量的外源化学物能损伤遗传物质，从而诱发突变，这些物质称为致突变物或诱变剂（mutagen），也称为遗传毒物 (genotoxic agent）。二、突变的类型按作用后果或遗传物质损伤的性质等可将诱发突变分类。一般根据遗传物质的损伤能否在显微镜下直接观察到分为染色体畸变(chromosome aberration)和基因突变(gene mutation)两类：染色体损伤大于或等于 0.2 微米时，可在光学显微镜下观察到，称为染色体畸变；若小于这一下限，不能在镜下直接观察到，要依靠对其后代的生理、生化、结构等表型变化判断突变的发生，称为基因突变 (gene mutation），亦称点突变(point mutation）。 (一)基因突变分子水平遗传物质的改变，包括碱基置换(base substitution)、移码突变 (frame-shift mutations)和大段损伤。 1、碱基置换碱基置换是首先在 DNA 复制时由于互补链的相应配位点配上一个错误的碱基，而这一错误的碱基在下一次 DNA 复制时发生错误配对(mispairing),错误的碱基对置换了原来的碱基对，亦即产生最终的碱基对置换(base-pair substitution)或称碱基置换。它包括转换和颠换两种情况：原来的嘌呤被另一嘌呤置换或原来的嘧啶被另一嘧啶置换，我们称之为转换(transition）；若原来的嘌呤被嘧啶置换或原来的嘧啶被嘌呤置换，我们则称之为颠换 (transversion）。无论是转换还是颠换都只涉及一对碱基，其结果可造成一个三联体密码子的改变, 可能出现同义密码、错义密码和终止密码。由于错义密码所编码的氨基酸不同，表达的蛋白质可能发生改变；如果错义密码为终止密码，可使所编码的蛋白质的肽链缩短

2、移码突变移码突变是DNA中增加或减少不为3的倍数的碱基对所造成的突变。碱基序列三联体密码子相互间并无标点符号。移码突变能使密码子的框架改变,从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的核酸序列完全改变,也可能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。如果增加或减少的碱基对为3的倍数,则使基因表达的蛋白质肽链增加或减少一些氨基酸。由于移码可以产生无功能肽链,故其易成为致死性突变。大段损伤大片段损伤是指DNA链大段缺失或插入。这种损伤有时可跨越两个或数个基因,但所缺失的片段仍远小于光镜下所能观察到的染色体变化,故又可称为小缺失 (二)染色体畸变染色体的畸变包括染色体的结构异常和数目改变。其在丝裂期的中期才能观察到,对于精子细胞的某种特定畸变则须在减数分裂期的中期Ⅰ期进行观察 1、染色体结构异常染色体结构异常是染色体或染色单体受损而发生断裂,且断段不发生重接或虽重接却不在原处;这种作用的发生及其过程称为断裂作用( clastogenesis) 使其断裂的物质称为断裂剂( clastogen);可分为两种,大多数如紫外线,只能诱发DNA单链断裂,故称为拟紫外线断裂剂,这种断裂必须经过S期的复制才能在中期相细胞出现染色单体型畸变,故又称为S期依赖断裂剂(S- dependent clastogen):少数像电离辐射一样,可诱发DNA双链断裂,我们称之为拟放射性断裂。其可在G期和G期作用,经S期复制,在中期呈现染色体型畸变,故我们称之为S期不依赖断裂剂(S- independent clastogen)。但是,任何情况下的染色单体型畸变都会在下一次细胞分裂时转变为染色体型畸变。染色体型畸变( chromatid- type aberration)是染色体中两条染色单体同位点受损后所产生的结构异常,有多种类型: (1)裂隙和断裂( gap and brake):都是指染色体上狭窄的非染色带,其所分割的两个节段保持线状连接为裂隙,否则为断裂。 (2)无着丝粒断片和缺失( acentric fragment and deletion):一个染色体发生一次或多次断裂而不重接,且这些断裂的节段远远分开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丝粒的异常染色体。细胞再次分裂时会形成微核或微小体。 3)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成一个环,称之为环状染色体

2、移码突变移码突变是 DNA 中增加或减少不为 3 的倍数的碱基对所造成的突变。碱基序列三联体密码子相互间并无标点符号。移码突变能使密码子的框架改变，从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的核酸序列完全改变，也可能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。如果增加或减少的碱基对为 3 的倍数，则使基因表达的蛋白质肽链增加或减少一些氨基酸。由于移码可以产生无功能肽链，故其易成为致死性突变。 3、大段损伤大片段损伤是指 DNA 链大段缺失或插入。这种损伤有时可跨越两个或数个基因，但所缺失的片段仍远小于光镜下所能观察到的染色体变化，故又可称为小缺失。（二）染色体畸变染色体的畸变包括染色体的结构异常和数目改变。其在丝裂期的中期才能观察到，对于精子细胞的某种特定畸变则须在减数分裂期的中期Ⅰ期进行观察。 1、染色体结构异常染色体结构异常是染色体或染色单体受损而发生断裂，且断段不发生重接或虽重接却不在原处；这种作用的发生及其过程称为断裂作用（clastogenesis）。使其断裂的物质称为断裂剂（clastogen）；可分为两种，大多数如紫外线，只能诱发 DNA 单链断裂，故称为拟紫外线断裂剂，这种断裂必须经过 S 期的复制，才能在中期相细胞出现染色单体型畸变，故又称为 S 期依赖断裂剂(S-dependent slastogen)；少数像电离辐射一样，可诱发 DNA 双链断裂，我们称之为拟放射性断裂。其可在 G0期和 G1期作用，经 S 期复制，在中期呈现染色体型畸变，故我们称之为 S 期不依赖断裂剂(S-independent clastogen)。但是，任何情况下的染色单体型畸变都会在下一次细胞分裂时转变为染色体型畸变。染色体型畸变（chromatid-type aberration）是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，有多种类型：（1）裂隙和断裂（gap and brake）：都是指染色体上狭窄的非染色带，其所分割的两个节段保持线状连接为裂隙，否则为断裂。（2）无着丝粒断片和缺失(acentric fragment and deletion)：一个染色体发生一次或多次断裂而不重接，且这些断裂的节段远远分开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丝粒的异常染色体。细胞再次分裂时会形成微核或微小体。（3）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成一个环，称之为环状染色体

(4)倒位( Inversion):当染色体发生两次不同部位断裂时,中间节段倒转 180°再重接,为倒位。 (5)插入和重复( insertion and duplication):当一个染色体发生三处断裂,带有两断段的断片插入到另一臂的断裂处或另一染色体的断裂处重接称为插入,若缺失的染色体和插入的染色体是同源染色体,且各有一处断裂发生于同位点,则出现两段相同节段,称为重复。 (6)易位( translocation):从某个染色体断下的节段连接到另一个染色体上称为易位。两染色体各发生一次断裂,只一个节段连到另一染色体上为单方易位,相互重接为相互易位,若发生3处以上的断裂,其交换重接称为复杂易位染色单体型畸变( chromosome- type aberration)指某一位点的损伤只涉及姐妹染色单体中的一条,它也有裂隙、断裂和缺失;此外,还有染色单体的交换 ( chromatid exchange),是两条或多条染色单体断裂后变位重接的结果,分为内换和互换。而姐妹染色单体交换( sister chromatid exchange,SCE)则是指某染色体在姐妹染色单体之间发生同源节段的互换,两条姐妹染色单体都会出现深浅相同的染色(而正常的则是一深一浅),但同源节段仍是浅,这种现象就是SCE。 2、染色体数目异常以动物正常细胞染色体数目2n为标准,染色体数目异常可能表现为整倍性畸变( euploidy aberration)和非整倍性畸变( aeup loidy aberration)。前者即出现单倍体或多倍体;而后者指比二倍体多或少一条或多条染色体,例如,缺体 ( nullisomy)是指缺少一对同源染色体,而单体或三体则是某一对同源染色体相应地少或多一个。染色体数目异常是由于染色体行态异常或复制异常,其原因有四方面:(1) 不分离: ( nondis junction)指在细胞分裂的中期和后期,某一对同源染色体或姐妹染色单体同时进入一个子细胞核为不分离;(2)染色体遗失 ( chromosome loss):在细胞分裂的中后期,如果一个染色体未能进入下一个子细胞核,使子细胞缺少一个染色体;(3)染色体桥( chromosome bridge)的影响: 染色体畸变中出现的双着丝粒染色体在细胞分裂后期如不能被拉断,就会在两核之间形成染色体桥,它使细胞不能分裂,出现四倍体。(4)核内再复制 ( endoreduplication):四倍体的细胞核进入下一个分裂周期,恢复正常复制与分离,出现四条染色单体排列的现象,称为核内再复制表6-1染色体畸变描述方式描述方式丢失一个1号染色体获得额外的一个7号染色体

（4）倒位(inversion)：当染色体发生两次不同部位断裂时，中间节段倒转 1800再重接，为倒位。（5）插入和重复(insertion and duplication)：当一个染色体发生三处断裂，带有两断段的断片插入到另一臂的断裂处或另一染色体的断裂处重接称为插入，若缺失的染色体和插入的染色体是同源染色体，且各有一处断裂发生于同一位点，则出现两段相同节段，称为重复。（6）易位(translocation)：从某个染色体断下的节段连接到另一个染色体上称为易位。两染色体各发生一次断裂，只一个节段连到另一染色体上为单方易位，相互重接为相互易位，若发生 3 处以上的断裂，其交换重接称为复杂易位。染色单体型畸变(chromosome-type aberration)指某一位点的损伤只涉及姐妹染色单体中的一条，它也有裂隙、断裂和缺失；此外，还有染色单体的交换 (chromatid exchange),是两条或多条染色单体断裂后变位重接的结果，分为内换和互换。而姐妹染色单体交换(sister chromatid exchange,SCE)则是指某一染色体在姐妹染色单体之间发生同源节段的互换，两条姐妹染色单体都会出现深浅相同的染色（而正常的则是一深一浅），但同源节段仍是一深一浅，这种现象就是 SCE。 2、染色体数目异常以动物正常细胞染色体数目 2n 为标准，染色体数目异常可能表现为整倍性畸变(euploidy aberration)和非整倍性畸变(aeuploidy aberration)。前者即出现单倍体或多倍体；而后者指比二倍体多或少一条或多条染色体，例如，缺体 (nullisome)是指缺少一对同源染色体，而单体或三体则是某一对同源染色体相应地少或多一个。染色体数目异常是由于染色体行态异常或复制异常，其原因有四方面:(1) 不分离：（nondisjunction）指在细胞分裂的中期和后期，某一对同源染色体或姐妹染色单体同时进入一个子细胞核为不分离； (2)染色体遗失 (chromosome loss): 在细胞分裂的中后期，如果一个染色体未能进入下一个子细胞核，使子细胞缺少一个染色体；(3)染色体桥(chromosome bridge)的影响：染色体畸变中出现的双着丝粒染色体在细胞分裂后期如不能被拉断，就会在两核之间形成染色体桥，它使细胞不能分裂，出现四倍体。（4）核内再复制 (endoreduplication):四倍体的细胞核进入下一个分裂周期，恢复正常复制与分离，出现四条染色单体排列的现象，称为核内再复制。表 6-1 染色体畸变描述方式描述方式含义 -1 丢失一个 1 号染色体 +7 获得额外的一个 7 号染色体

保真性。现已证明突变频率与各种酶性DNA修复和防错系统的效率呈负性相关。但也有一些是易错( error-prone)修复系统 1、复制前的修复 (1)光复活( photoreactivation)这是一种修复紫外线损伤所产生的胸腺嘧啶二聚体的功能。波长200-300nm的短波紫外线,特别是260nm,能使DNA的碱基形成二聚体,嘧啶对紫外线的损伤要比嘌呤易感10倍,最常见的紫外线对DNA 损伤是相邻两个嘧啶形成的二聚体。在大肠杆菌中,光复活是通过phr基因所编码的光裂合酶( photolyase)利用长波紫外线或短波可见光线的能量对嘧啶二聚体进行单体化,从而达到修复作用。光复活是一步完成的,光裂合酶从原核生物到真核生物广泛存在,但光裂合酶并非普遍存在于各种生物细胞中,生物进化程度越高,这种修复能力似乎越弱。 (2)“适应性”反应这是另一种一步完成的修复系统。研究发现,对DNA 的烷化作用可以诱导一种具有专一作用的蛋白质的合成。这种蛋白质称为烷基转移酶或烷基受体蛋白质。该蛋白能将0°-烷基鸟嘌呤的烷基转移至酶本身半胱氨酸上的巯基,从而恢复鸟嘌呤的本来结构。最新硏究认为有可能存在对不同位置烷化作用有专一性的转移酶或受体。在多种细胞中,包括哺乳动物细胞,都发现适应性”的反应活性 (3)切除修复( excision repair)切除修复是一个多步骤修复过程。70年代末,有人将其分为碱基切除修复和核苷酸切除修复,认为两者涉及的酶系统有差异,目前看区别不明显。第一步参与修复的酶是转葡萄糖基酶或称为№-糖基化酶。该酶能识别异常碱基,并使异常嘌呤的N和异常嘧啶的N与脱氧核糖之间的键发生水解,于是, DNA链上形成无嘌呤或无嘧啶位点;二者可统称为无嘌呤嘧啶位点,在大肠杆菌中发现最少有7种转葡萄糖基酶,每一种都能特异地识别一种或少数几种异常碱基切除一个异常碱基后,可能有两种方法完成修复。一种是由插入酶 ( insertase)将正确的碱基插入AP位点,另一种办法是由AP核酸内切酶 ( Endonuclease)在AP位点或其旁边的5′端将DNA切开一个缺口,使一端成为5′-磷酸基,另一端成为3′-O基,随之核酸外切酶( exonuclease)切除一些碱基,再由多聚酶( polymerase)重新合成正确的碱基,最后由连接酶( ligase) 将其连接。除A内切核酸酶外,还发现对某些DNA损伤有着特异性的核酸内切酶。其中比较特殊的是核酸内切酶切除紫外线产生的嘧啶二聚体的情况。该酶可作出两个切口,一个在二聚体5侧的第8个磷酸二酯键,一个在二聚体3侧的第 4或第5个磷酸二酯键。表明该酶不仅能内切,还能外切。UV核酸内切酶不仅能作用于嘧啶二聚体,还能作用于许多较大的螺旋扭曲变形损伤。由于该酶还有外切作用,有时称之为“切除核酸酶”( excinuclease)。 2、与复制有关的修复

保真性。现已证明突变频率与各种酶性 DNA 修复和防错系统的效率呈负性相关。但也有一些是易错(error-prone)修复系统。 1、复制前的修复 (1)光复活(photoreactivation）这是一种修复紫外线损伤所产生的胸腺嘧啶二聚体的功能。波长 200-300nm 的短波紫外线，特别是 260nm，能使 DNA 的碱基形成二聚体，嘧啶对紫外线的损伤要比嘌呤易感 10 倍，最常见的紫外线对 DNA 损伤是相邻两个嘧啶形成的二聚体。在大肠杆菌中，光复活是通过 phr 基因所编码的光裂合酶(photolyase)利用长波紫外线或短波可见光线的能量对嘧啶二聚体进行单体化，从而达到修复作用。光复活是一步完成的，光裂合酶从原核生物到真核生物广泛存在，但光裂合酶并非普遍存在于各种生物细胞中，生物进化程度越高，这种修复能力似乎越弱。 (2)“适应性”反应这是另一种一步完成的修复系统。研究发现，对 DNA 的烷化作用可以诱导一种具有专一作用的蛋白质的合成。这种蛋白质称为烷基转移酶或烷基受体蛋白质。该蛋白能将 O 6 -烷基鸟嘌呤的烷基转移至酶本身半胱氨酸上的巯基，从而恢复鸟嘌呤的本来结构。最新研究认为有可能存在对不同位置烷化作用有专一性的转移酶或受体。在多种细胞中，包括哺乳动物细胞，都发现 “适应性”的反应活性。 (3)切除修复(excision repair) 切除修复是一个多步骤修复过程。70 年代末，有人将其分为碱基切除修复和核苷酸切除修复,认为两者涉及的酶系统有差异，目前看区别不明显。第一步参与修复的酶是转葡萄糖基酶或称为 N-糖基化酶。该酶能识别异常碱基，并使异常嘌呤的 N 9和异常嘧啶的 N 3与脱氧核糖之间的键发生水解，于是， DNA 链上形成无嘌呤或无嘧啶位点；二者可统称为无嘌呤嘧啶位点，在大肠杆菌中发现最少有 7 种转葡萄糖基酶，每一种都能特异地识别一种或少数几种异常碱基。切除一个异常碱基后，可能有两种方法完成修复。一种是由插入酶 (insertase)将正确的碱基插入 AP 位点，另一种办法是由 AP 核酸内切酶 (Apendonuclease) 在 AP 位点或其旁边的 5´端将 DNA 切开一个缺口，使一端成为 5´-磷酸基，另一端成为 3´-OH 基，随之核酸外切酶(exonuclease)切除一些碱基，再由多聚酶(polymerase)重新合成正确的碱基，最后由连接酶(ligase) 将其连接。除 AP 内切核酸酶外，还发现对某些 DNA 损伤有着特异性的核酸内切酶。其中比较特殊的是 UV 核酸内切酶切除紫外线产生的嘧啶二聚体的情况。该酶可作出两个切口，一个在二聚体 5´侧的第 8 个磷酸二酯键，一个在二聚体 3´侧的第 4 或第 5 个磷酸二酯键。表明该酶不仅能内切，还能外切。UV 核酸内切酶不仅能作用于嘧啶二聚体，还能作用于许多较大的螺旋扭曲变形损伤。由于该酶还有外切作用，有时称之为“切除核酸酶”（excinuclease）。 2、与复制有关的修复

复制前的修复绝大多数准确无误,故有人称为复制前错误改正。如果损伤保留至复制时才修复,则可能有多种方式发生错误,因而产生突变。产生错误的方式与损伤的特点有关。例如甲基化的碱基能诱发在其对面插入错误的碱基,从而导致碱基置换。一般认为在切除修复中这种烷基化的碱基很易修复,即使不是完全无误修复,其发生错误的机会也较保留至复制时才修复大为减少。有些物质,特别是诱发移码的物质ICRI91和单功能烷化剂甲基-N-硝基 N-亚硝基胍(MNG)对大肠杆菌在对数生长期中的作用主要是在复制叉附近引起的损伤。这种损伤可长期保留至复制时才可被修复,从而发生错误。在大肠杆菌中有一个错配修复系统能在复制时改正错误。该系统有一种由 dam基因编码的酶使GATC序列的腺嘌呤6位甲基化。在该酶完成甲基化之前, DNA处于低甲基化状态。此时有几个mut基因编码的错配修复系统能从新合成的 DNA链上切除错配的碱基,并以正确配对的碱基替代之。dam基因的突变体缺乏 6-嘌呤甲基化酶,比野生型产生更多的错误,认为是由于不能有效地识别新链和旧链而无法排除错配。在复制过程中多聚酶起重要作用。其中PolI的三种活性,特别是矫正读码功能的3′→5′核酸外切酶的的活性,对确保无误修复非常重要。他能识别刚刚错配的碱基,在多聚酶向前移动和核酸链继续延长之前,立即将之切除,以确保新的正确插入。多聚酶属于含Zn2酶类,而且需要有Mg2存在,才能顺利完成其催化任务,因此当Zn2或Mg2被Be2、Mn2、Co2等二价金属置换上时,复制的正确性就会降低,这一点很可能金属在体内诱变的机理。 3、S0S修复在修复前有几种修复系统能正确排除损伤予以修复。如果损伤保留至复制时,仍有一些与复制有关的系统可将一部分损伤消除。此外,60年代末期有人提出还有一套复制后修复的系统。这是指模板链上的非编码损伤导致DNA互补链向前延长受阻时,在排除这种损伤时,可通过两条子链间的重组性交换来填补所留下的空隙。对大肠杆菌的研究表明这种修复系统尚未査清,仅假设为一种延迟的“旁路”修复。 70年代中期提出一个完全不同的假说。其根据是大肠杆菌如经轻度紫外线照射,并将照射的λ噬菌体传染( transfection)λ菌,则λ噬菌体存活率大为提髙。如大肠杆菌未经照射,就没有这种效果。认为对大肠杆菌的轻度照射使整个细胞处于一种危害状态,诱发了一系列的修复活动,故按当时国际通用的呼救密码S0S,称为S0S修复系统。这一修复系统必须在损伤因素的诱导下才能发生,而且修复虽可使生物体从致死效应中解除,却容易出错。所以是一种易错修复( error- prone repair),该系统能在复制前的切除修复中起作用,但主要是在复制时起作用。该系统是由recA和lexA两个基因调节控制,整个S0S修复过程可分为4个阶段。 (1)诱导前期细胞在DNA受损前lexA基因处于较高活动水平,其基因产物 1exA蛋白质是对lexA基因座本身、recA基因座、 umuDC操纵子,以及包括uvrA

复制前的修复绝大多数准确无误，故有人称为复制前错误改正。如果损伤保留至复制时才修复，则可能有多种方式发生错误，因而产生突变。产生错误的方式与损伤的特点有关。例如甲基化的碱基能诱发在其对面插入错误的碱基，从而导致碱基置换。一般认为在切除修复中这种烷基化的碱基很易修复，即使不是完全无误修复，其发生错误的机会也较保留至复制时才修复大为减少。有些物质，特别是诱发移码的物质 ICR191 和单功能烷化剂甲基 -N ′ -硝基 -N-亚硝基胍(MNNG)对大肠杆菌在对数生长期中的作用主要是在复制叉附近引起的损伤。这种损伤可长期保留至复制时才可被修复，从而发生错误。在大肠杆菌中有一个错配修复系统能在复制时改正错误。该系统有一种由 dam 基因编码的酶使 GATC 序列的腺嘌呤 6 位甲基化。在该酶完成甲基化之前， DNA 处于低甲基化状态。此时有几个 mut 基因编码的错配修复系统能从新合成的 DNA 链上切除错配的碱基，并以正确配对的碱基替代之。dam 基因的突变体缺乏 6-嘌呤甲基化酶，比野生型产生更多的错误，认为是由于不能有效地识别新链和旧链而无法排除错配。在复制过程中多聚酶起重要作用。其中 Pol I 的三种活性，特别是矫正读码功能的 3′→5′核酸外切酶的的活性，对确保无误修复非常重要。他能识别刚刚错配的碱基，在多聚酶向前移动和核酸链继续延长之前，立即将之切除，以确保新的正确插入。多聚酶属于含 Zn2+酶类，而且需要有 Mg2+存在，才能顺利完成其催化任务，因此当 Zn2+或 Mg2+被 Be2+、Mn2+、Co2+等二价金属置换上时，复制的正确性就会降低，这一点很可能金属在体内诱变的机理。 3、SOS 修复在修复前有几种修复系统能正确排除损伤予以修复。如果损伤保留至复制时，仍有一些与复制有关的系统可将一部分损伤消除。此外，60 年代末期有人提出还有一套复制后修复的系统。这是指模板链上的非编码损伤导致 DNA 互补链向前延长受阻时，在排除这种损伤时，可通过两条子链间的重组性交换来填补所留下的空隙。对大肠杆菌的研究表明这种修复系统尚未查清，仅假设为一种延迟的“旁路”修复。 70 年代中期提出一个完全不同的假说。其根据是大肠杆菌如经轻度紫外线照射，并将照射的λ噬菌体传染(transfection)λ菌,则λ噬菌体存活率大为提高。如大肠杆菌未经照射，就没有这种效果。认为对大肠杆菌的轻度照射使整个细胞处于一种危害状态，诱发了一系列的修复活动，故按当时国际通用的呼救密码 SOS，称为 SOS 修复系统。这一修复系统必须在损伤因素的诱导下才能发生，而且修复虽可使生物体从致死效应中解除，却容易出错。所以是一种易错修复(error-prone repair)，该系统能在复制前的切除修复中起作用，但主要是在复制时起作用。该系统是由 recA 和 lexA 两个基因调节控制，整个 SOS 修复过程可分为 4 个阶段。 (1)诱导前期细胞在 DNA 受损前 lexA 基因处于较高活动水平，其基因产物 lexA 蛋白质是对 lexA 基因座本身、recA 基因座、umuDC 操纵子，以及包括 uvrA

uvrB和uvrC在内的其他8个基因座的抑制物( repressor)。因此这些基因的产物通常都处于低水平 (2)致突变因素作用期致突变因素作用于DNA所产生的某些损伤可作为致突变因素的第二信使,诱导SOS修复系统的反应。能够作为第二信使的损伤有 N-3-烷化腺嘌呤,寡核苷酸,裂隙DNA,单链DNA片段以及可能尚未阐明的损伤。 (3)诱导过程在第二信使和和ATP同时存在下,RecA蛋白质可被活化为蛋白酶,具有裂解LexA蛋白质的能力。一旦LexA蛋白质被裂解,所有参与S0S 反应的基因都将充分表达。可以想象recA、uvrA、uvrB和uvrC基因充分表达对 S0S修复中可能需要的重组、切除修复等作用都将更为有效。其中recA的表达将产生更多的RecA蛋白质,只要第二信使依然存在,RecA蛋白质作为蛋白酶的作用就会持续下去,直至修复完成。 (4)S0S终止随着第二信使被排除,RecA蛋白质的诱导信号亦同时解除 LexA蛋白质水平又再度上升,并作为阻抑物与操纵基因结合,关闭操纵子,终止S0S过程。总之,任何DNA损伤,只要修复无误,突变就不会发生;如果修复错误或未经修复,损伤就得以固定( fixed)下来,于是发生突变。因此诱发突变是一个受控制的过程,失控才真正发生突变。一般来说从DNA损伤到损伤固定需要几次细胞分裂周期才能形成。第三节突变的后果致突变物对机体的作用是通过靶细胞实现的。当靶细胞是体细胞而不是生殖细胞时,其影响仅能在直接接触该物质的亲代身上表现出来,而不可能遗传到子代:只有靶细胞为生殖细胞时,其影响才有可能遗传到子代(图6-1)。体细胞突变的后果体细胞突变的后果中最受注意的是致癌问题,将在下一节叙述。其次,胚胎体细胞突变可能导致畸胎,当然,畸胎的发生还与亲代的生殖细胞突变有关。据报道人类妊娠最初3个月流产中有60%有染色体畸变,在一定程度上这是致突变物透过胎盘作用于胚胎体细胞所致,而不完全是亲代生殖细胞突变的后果体细胞突变也可能与动脉粥样硬化症有关。因为对于正常动脉壁细胞中的葡糖-6-磷酸脱氢酶有两种变异体,而从动脉粥样硬化症同一斑块取下的细胞在电泳中只表现为同一种变异体,故认为动脉粥样硬化斑块是单克隆来源。体外培养的人类非恶性转化细胞,其寿命都有限。这些细胞在传代过程中, 细胞遗传学异常率逐渐增高,而有丝分裂逐渐下降,因此可以推测,体细胞突变是衰老的起因,最低限度在体外如此。另外,DNA修复能力缺陷与成熟的早衰老综合征也有一定关系

uvrB 和 uvrC 在内的其他 8 个基因座的抑制物(repressor)。因此这些基因的产物通常都处于低水平。 (2)致突变因素作用期致突变因素作用于 DNA 所产生的某些损伤可作为致突变因素的第二信使，诱导 SOS 修复系统的反应。能够作为第二信使的损伤有 N-3-烷化腺嘌呤，寡核苷酸，裂隙 DNA，单链 DNA 片段以及可能尚未阐明的损伤。 (3)诱导过程在第二信使和和 ATP 同时存在下，RecA 蛋白质可被活化为蛋白酶，具有裂解 LexA 蛋白质的能力。一旦 LexA 蛋白质被裂解，所有参与 SOS 反应的基因都将充分表达。可以想象 recA、uvrA、uvrB 和 uvrC 基因充分表达对 SOS 修复中可能需要的重组、切除修复等作用都将更为有效。其中 recA 的表达将产生更多的 RecA 蛋白质，只要第二信使依然存在，RecA 蛋白质作为蛋白酶的作用就会持续下去，直至修复完成。 (4)SOS 终止随着第二信使被排除，RecA 蛋白质的诱导信号亦同时解除， LexA 蛋白质水平又再度上升，并作为阻抑物与操纵基因结合，关闭操纵子，终止 SOS 过程。总之，任何 DNA 损伤，只要修复无误，突变就不会发生；如果修复错误或未经修复，损伤就得以固定(fixed)下来,于是发生突变。因此诱发突变是一个受控制的过程，失控才真正发生突变。一般来说从 DNA 损伤到损伤固定需要几次细胞分裂周期才能形成。第三节突变的后果致突变物对机体的作用是通过靶细胞实现的。当靶细胞是体细胞而不是生殖细胞时，其影响仅能在直接接触该物质的亲代身上表现出来，而不可能遗传到子代；只有靶细胞为生殖细胞时，其影响才有可能遗传到子代（图 6-1）。一、体细胞突变的后果体细胞突变的后果中最受注意的是致癌问题，将在下一节叙述。其次，胚胎体细胞突变可能导致畸胎，当然，畸胎的发生还与亲代的生殖细胞突变有关。据报道人类妊娠最初 3 个月流产中有 60%有染色体畸变，在一定程度上这是致突变物透过胎盘作用于胚胎体细胞所致，而不完全是亲代生殖细胞突变的后果。体细胞突变也可能与动脉粥样硬化症有关。因为对于正常动脉壁细胞中的葡糖-6-磷酸脱氢酶有两种变异体，而从动脉粥样硬化症同一斑块取下的细胞在电泳中只表现为同一种变异体，故认为动脉粥样硬化斑块是单克隆来源。体外培养的人类非恶性转化细胞，其寿命都有限。这些细胞在传代过程中，细胞遗传学异常率逐渐增高，而有丝分裂逐渐下降，因此可以推测，体细胞突变是衰老的起因，最低限度在体外如此。另外，DNA 修复能力缺陷与成熟的早衰老综合征也有一定关系

生殖细胞突变的后果如果突变发生在生殖细胞,无论其发生在任何阶段,都存在对后代影响的可能性,其影响后果可分为致死性和非致死性两种。致死性影响可能是显性致死和隐性致死。显性致死即突变配子与正常配子结合后,在着床前或着床后的早期胚胎死亡。隐性致死要纯合子或半合子才能出现死亡效应如果生殖细胞突变为非致死性,则可能出现显性或隐性遗传病,包括先天性畸形。在遗传性疾病频率与种类增多时,突变基因及染色体损伤,将使基因库负荷增加。基因库( gene pool)是指一种物种的群体中生殖细胞内具有的、并能传给后代的基因总和。遗传负荷( genetic load)系一种物种群体中每一个体携带的可遗传给后代的有害基因的水平第四节致突变性评价方法检测外来化学物的致突变性一般通过致突变实验来进行。其目的主要有两点 :①检测外源化学物的致突变性,预测其对哺乳动物和人的致癌性;②检测外源化学物对哺乳动物生殖细胞的遗传毒性,预测其对人体的遗传危害性。实验方法的研究很快,原有方法日益完善,新方法也不断建立,对每个实验所反映的事件的认识不断深化。目前,已有致突变实验两百余种,但常用的较重要的仅十余种、遗传学终点和实验配套有许多致突变实验所观察到的现象并不能反映基因突变和染色体畸变,而仅仅能反映诱发突变过程中的其它现象。因而,我们常将观察到的现象所反映的事件,称为遗传学终点( genetic end point)。1979年,国际环境致突变物致癌物防护委员会( I CPEMC)将遗传学终点分为四类:①基因突变,②染色体畸变, ③不分离,④原发性DNA损伤;1983年又把遗传学终点分为①DNA完整性的改变 ,②DNA重排或交换,③DNA碱基序列改变,④染色体完整性改变,⑤染色体分离改变。对于一种化学物是否具有致突变作用,仅用一种试验方法得到的结果是不能肯定的,因此,对于化学物的致突变试验要用多种实验配套。目前,人们对配套试验有多种认识,如有人提出包括体细胞和生殖细胞;体内试验和体外试验 ,包括原核生物和真核生物等。按照 ICPEMC的观点就是配套应当包括反映5种遗传学终点(图6-2)。为此,选择4种试验即可满足要求;如Ames试验、微核试验、枯草杄菌DNA修复试验和SCE试验。而生殖细胞致突变在遗传危害评价时,才会考虑。此外,为了将试验结果外推于人,我们还应尽可能选用真核细胞作体内试验。正常DNA 细胞屏障

二、生殖细胞突变的后果如果突变发生在生殖细胞，无论其发生在任何阶段，都存在对后代影响的可能性，其影响后果可分为致死性和非致死性两种。致死性影响可能是显性致死和隐性致死。显性致死即突变配子与正常配子结合后，在着床前或着床后的早期胚胎死亡。隐性致死要纯合子或半合子才能出现死亡效应。如果生殖细胞突变为非致死性，则可能出现显性或隐性遗传病，包括先天性畸形。在遗传性疾病频率与种类增多时，突变基因及染色体损伤，将使基因库负荷增加。基因库(gene pool)是指一种物种的群体中生殖细胞内具有的、并能传给后代的基因总和。遗传负荷(genetic load)系一种物种群体中每一个体携带的可遗传给后代的有害基因的水平。第四节致突变性评价方法检测外来化学物的致突变性一般通过致突变实验来进行。其目的主要有两点：①检测外源化学物的致突变性，预测其对哺乳动物和人的致癌性；②检测外源化学物对哺乳动物生殖细胞的遗传毒性，预测其对人体的遗传危害性。实验方法的研究很快，原有方法日益完善，新方法也不断建立，对每个实验所反映的事件的认识不断深化。目前，已有致突变实验两百余种，但常用的较重要的仅十余种。一、遗传学终点和实验配套有许多致突变实验所观察到的现象并不能反映基因突变和染色体畸变, 而仅仅能反映诱发突变过程中的其它现象。因而，我们常将观察到的现象所反映的事件，称为遗传学终点（genetic end point）。1979 年，国际环境致突变物致癌物防护委员会(ICPEMC)将遗传学终点分为四类：①基因突变，②染色体畸变， ③不分离，④原发性 DNA 损伤；1983 年又把遗传学终点分为①DNA 完整性的改变，②DNA 重排或交换，③DNA 碱基序列改变，④染色体完整性改变，⑤染色体分离改变。对于一种化学物是否具有致突变作用，仅用一种试验方法得到的结果是不能肯定的，因此，对于化学物的致突变试验要用多种实验配套。目前，人们对配套试验有多种认识，如有人提出包括体细胞和生殖细胞；体内试验和体外试验，包括原核生物和真核生物等。按照 ICPEMC 的观点就是配套应当包括反映 5 种遗传学终点（图 6-2）。为此，选择 4 种试验即可满足要求；如 Ames 试验、微核试验、枯草杆菌 DNA 修复试验和 SCE 试验。而生殖细胞致突变在遗传危害评价时，才会考虑。此外，为了将试验结果外推于人，我们还应尽可能选用真核细胞作体内试验。正常 DNA 细胞屏障

《毒理学 toxicology》课程教学资源（教材讲义）第六章 环境有害因素致突变作用

《毒理学 toxicology》课程教学资源（教材讲义）第六章环境有害因素致突变作用