《食品毒理学》课程教学资源（教材讲义）第七章食品中化学物质的遗传毒理学.doc_大学文库

第七章食品中化学物质的遗传毒理学第一节基本概念遗传毒理学(Genetic toxicology)是毒理学的一个分支，研究外源化学物及其他环境因素对生物体遗传机构的损害作用及其规律。其主要目的是检测那些能引起DA损伤的环境因研究其传毒作用的特点及对人类的潜在危害。环境因素对生物体传机构损伤的研起始于二十世纪二十年代。在1927年MuUer就发现x射线可引起果绳性连锁显性致死性突变，又经过大约二十年的时间，到1942年Auer-back和Robson发现了第一个能引起基因突变的化学物一一芥子气。之后有一系列有关外源化学物可引起基因突变或染色体损伤的报道。大量的研究成果已使人们相信，化学物及其他环境因素导致生物体遗传机构的改变，可以引起人类某些遗传性病并且与癌症的发生有关。遗传物质发生变化引起遗传信息的改变，并产生新的表型效应称为突变(Mutatior)。突变可在自然条件下发生，称为自发突变(spontaneous mutation):也可人为地或受各种因素诱发产生，称为诱发突变(induced mutation)。自发突变的发生率很低，它提供了生物进化的基虽然人为的诱发突变也常用以培养和开发新种和良种，但是在毒理学中把突变作为一种损害作用。环境因素引起生物体突变发生的作用及过程称为致突变作用或诱变作用 (mutagenesis)。环境中存在的可诱发突变发生的因素包括化学因素（各种化学物质）、物理因素（如电离辐射）和生物因素（如病毒）。其中化学因素存在最广泛，人们接触机会最多，在环境致突变作用中占有最重要的地位。凡能引起致突变作用的化学物称为化学诱变剂(chem©a G有些化学物质具有很高的化学活性，其原型或其化学水解产物就可以引起生称为直接诱变(die-n):有些化学物质其本身不能引起突变，必须在生物体内经过代谢活化才呈现致突变作用，称为间接诱变剂(indirect-acting mutagen). 本章所用的遗传毒性和致突变性两个术语既有联系又有区别。致突变性和致癌性都是精确的概念，在一个实验群体中的突变率和癌发生率可以定量检测。遗传毒性是泛指对基因组的毒性，对基因组的毒作用可引起致突变性及其他各种不同的效应，如染色体畸变、噬菌体引起细南死亡、 DNA链断裂及细胞分裂抑制等。这些效应都可作为评价遗传毒性的终点第二节遗传损伤的类型根据DNA改变牵涉范围的大小，在遗传毒理学中可将遗传损伤分为三大类，即基因突变、染色体畸变及基因组突变一、基因突变基因突变(gene mutation))指在基因中DNA序列的改变。基因突变是分子水平的变化，在光学显微镜下无法看见，一般是以表型（如生长、生化、形态等）的改变为基础进行检测，也可通过核酸杂交技术、DNA单链构象多态分析(SSCP)及DNA测序等方法检测DNA序列的改 152

152 第七章食品中化学物质的遗传毒理学第一节基本概念遗传毒理学(Genetic Toxicology)是毒理学的一个分支，研究外源化学物及其他环境因素对生物体遗传机构的损害作用及其规律。其主要目的是检测那些能引起DNA损伤的环境因素，研究其遗传毒作用的特点及对人类的潜在危害。环境因素对生物体遗传机构损伤的研究起始于二十世纪二十年代。在1927年MuUer就发现x射线可引起果蝇性连锁显性致死性突变。又经过大约二十年的时间，到1942年Auer-back和Robson发现了第一个能引起基因突变的化学物——芥子气。之后有一系列有关外源化学物可引起基因突变或染色体损伤的报道。大量的研究成果已使人们相信，化学物及其他环境因素导致生物体遗传机构的改变，可以引起人类某些遗传性疾病并且与癌症的发生有关。遗传物质发生变化引起遗传信息的改变，并产生新的表型效应称为突变(Mutation)。突变可在自然条件下发生，称为自发突变(spontaneous mutation)；也可人为地或受各种因素诱发产生，称为诱发突变(induced mutation)。自发突变的发生率很低，它提供了生物进化的基础。虽然人为的诱发突变也常用以培养和开发新种和良种，但是在毒理学中把突变作为一种损害作用。环境因素引起生物体突变发生的作用及过程称为致突变作用或诱变作用 (mutagenesis)。环境中存在的可诱发突变发生的因素包括化学因素(各种化学物质)、物理因素(如电离辐射)和生物因素(如病毒)。其中化学因素存在最广泛，人们接触机会最多，在环境致突变作用中占有最重要的地位。凡能引起致突变作用的化学物称为化学诱变剂(chemical mutagen)。有些化学物质具有很高的化学活性，其原型或其化学水解产物就可以引起生物体的突变，称为直接诱变剂(direct-acting mutagen)；有些化学物质其本身不能引起突变，必须在生物体内经过代谢活化才呈现致突变作用，称为间接诱变剂(indirect-acting mutagen)。本章所用的遗传毒性和致突变性两个术语既有联系又有区别。致突变性和致癌性都是精确的概念，在一个实验群体中的突变率和癌发生率可以定量检测。遗传毒性是泛指对基因组的毒性，对基因组的毒作用可引起致突变性及其他各种不同的效应，如染色体畸变、噬菌体引起细菌死亡、DNA链断裂及细胞分裂抑制等。这些效应都可作为评价遗传毒性的终点。第二节遗传损伤的类型根据DNA改变牵涉范围的大小，在遗传毒理学中可将遗传损伤分为三大类，即基因突变、染色体畸变及基因组突变。一、基因突变基因突变(gene mutation)指在基因中DNA序列的改变。基因突变是分子水平的变化，在光学显微镜下无法看见，一般是以表型(如生长、生化、形态等)的改变为基础进行检测，也可通过核酸杂交技术、DNA单链构象多态分析(SSCP)及DNA测序等方法检测DNA序列的改

变来确定。基因突变可分为以下几种基木的类型： L.碱基置换碱基置换(basc-pair substitution)指DNA序列上的某个碱基被其他碱基所取代。碱基置换又可分为转换和顿换两种。转换 n)指嘌吟与嘌吟碱基、嘧啶与嘧啶碱基之间的置换（包括G:C一A:T和A: T-G:C9:换))则指骠吟嘧啶碱基之间的置换（包括G:C一T:A,G:C一C:G,A:T一C:G及A:T一T:A)。转换和颠换发生后的后果取决于是否在蛋白质合成过程中引起编码氨基酸的错误。如果碱基置换导致了编码氨基酸信息的改变，在基因产物中，一个氨基酸被其它的氨基酸所取代，称为错义突变 nemi0n)。错义突右可能使基因产物失活，也可能仅对基因产物的功能产生 ,这取决于置换的氨基酸及其在蛋白质中的置和作田遗传密码子具有兼并性(degeneracy),有时，虽然有碱基置换的发生，但密码子的意义可以没有改变，此时称为同义突变(samesense mutation)。如果碱基置换的结果使mRNA上的密码子由氨基酸编码密码子变成非编码的终止密码(UAG、UGA、UAA),称为无义突变 (onsense mutation))。无义突变可使蛋白质合成提前终止，导致基因产物不完全或无功能。 TTA GGG GAC GCG CAT GAA 原序列 AAT CCC CTG CGC GTA CTT. G:C+T:A领换 .TTA GGG GAC GCG CAT TAA TTA GOGGGACOCGCA TGA A AAT CCC CTG CGC GTA ATT AAT CCC CCT GCG CGT ACT T. G:C+A:T转换 -2移码 TTA GAG GAC GCG CAT GAA TTA GGG GAC CCA TGAA c 非码的终止图71碱基置换和移码突变 2.移码突变移码突变(frameshift mutation)指改变从mRNA到蛋白质翻译过程中遗传密码子读码顺序的突变，通常涉及在基因中增加或缺失一个或两个碱基对。DNA链碱基排列及密码的阅读是连续的，在基因中一处发生移码突变，会使其以后的三联密码子都发生改变有时还会出现终止密码，所以，移码突变往往会使基因产物发生大的改变，引起明显的表型效应，常出现致死性突变。 3.整码突变整码突变codon mutation)又称为密码子的插入或缺失，指在DNA链中增加或减少的碱基对为一个或几个密码子，此时基因产物多肽链中会增加或减少一个或几个氨基酸，此部位之后的氨基酸序列无改变 4.片断突变指基因中某些小片段核苷酸序列发生改变，这种改变有时可跨越两个或数个基因，涉及数以千计的核苷酸。主要包括核苷酸片段的缺失、重复、重组及重排等。缺失指基因中某段核苷酸序列的丢失，缺失范围小，也称为小缺失。重复指基因中增加了某 153

153 变来确定。基因突变可分为以下几种基本的类型： 1. 碱基置换碱基置换(base-pair substitution)指DNA序列上的某个碱基被其他碱基所取代。碱基置换又可分为转换和颠换两种。转换(transition)指嘌吟与嘌吟碱基、嘧啶与嘧啶碱基之间的置换(包括G：C→A：T和A：T→G：C)；颠换(transversion)则指嘌吟与嘧啶碱基之间的置换(包括G：C→T：A，G：C→C：G，A：T→C：G及A：T→T：A)。转换和颠换发生后的后果取决于是否在蛋白质合成过程中引起编码氨基酸的错误。如果碱基置换导致了编码氨基酸信息的改变，在基因产物中，一个氨基酸被其它的氨基酸所取代，称为错义突变 (missense mutation)。错义突变有可能使基因产物失活，也可能仅对基因产物的功能产生一定的影响或无影响，这取决于置换的氨基酸及其在蛋白质中的位置和作用。遗传密码子具有兼并性(degeneracy)，有时，虽然有碱基置换的发生，但密码子的意义可以没有改变，此时称为同义突变(samesense mutation)。如果碱基置换的结果使mRNA上的密码子由氨基酸编码密码子变成非编码的终止密码(UAG、UGA、UAA)，称为无义突变 (nonsense mutation)。无义突变可使蛋白质合成提前终止，导致基因产物不完全或无功能。图7-1 碱基置换和移码突变 2. 移码突变移码突变(frameshift mutation)指改变从mRNA到蛋白质翻译过程中遗传密码子读码顺序的突变，通常涉及在基因中增加或缺失一个或两个碱基对。DNA链碱基排列及密码的阅读是连续的，在基因中一处发生移码突变，会使其以后的三联密码子都发生改变，有时还会出现终止密码，所以，移码突变往往会使基因产物发生大的改变，引起明显的表型效应，常出现致死性突变。 3. 整码突变整码突变(codon mutation)又称为密码子的插入或缺失，指在DNA链中增加或减少的碱基对为一个或几个密码子，此时基因产物多肽链中会增加或减少一个或几个氨基酸，此部位之后的氨基酸序列无改变。 4. 片断突变指基因中某些小片段核苷酸序列发生改变，这种改变有时可跨越两个或数个基因，涉及数以千计的核苷酸。主要包括核苷酸片段的缺失、重复、重组及重排等。缺失指基因中某段核苷酸序列的丢失，缺失范围小，也称为小缺失。重复指基因中增加了某一

段重复的核苷酸序列。缺失和重复都可能打乱基因的读码顺序，引起移码突变。重组指两个不同基因的局部片段的相互拼接和融合。重排则指DNA链发生两处断裂，断片发生倒位后再重新接根据突变后基因产物功能的改变，基因突变可分为正向突变及回复突变。正向突变 (forward mutation)是导致基因产物正常功能丧失的突变，回复突变(reverse mutation)则指使基因产物的功能恢复的突变。二、染色体畸变染色体畸变(chromosome aberration)是指染色体结构的改变。染色体畸变牵涉的遗传物质改变的范围比较大，一般可通过在光学显微镜下观察细胞有丝分裂中期相来检测。染色体结构改变的基础是DNA链的断裂，所以把能引起染色体畸变的外源化学物称为断裂剂 (clastogen) 染色体骑变可分为染色单体型畸变(chromatid-type aberration)和染色体型畸变 (chromosome-type aberration)。前者指组成染色体的两条染色单体中仅一条受损，后者指两条染色单体均受损。细胞在DNA复制前受电离辐射的作用，可引起染色体型畸变，在DNA 复制后受电离辐射作用则引起染色单体型畸变大多数化学断裂剂一般是诱发DNA单链断裂，经过S期进行复制后 ,在中期相细胞表现为染色单体型畸变但也有少数断裂剂可 DNA双链断裂，如果细胞在G期或GD期受这些断裂剂作用，经S期复制到中期可表现染色体型畸变，若作用于$期复制后及C2期，在中期相则出现染色单体型畸变，此类化学物称之为拟放射性断裂剂(radiomimetic clastogen))。染色单体型的畸变在经过一次细胞分裂后，会转变为染色体型畸变染色体或染色单体受损发生断裂后，可形成断片，断端也可重新连接或互换而表现出各种畸变类型。主要有以下几种： 1裂a)在一条染色单体或两条染色单体上出现无染色质的区域，但该区域的大小等于或小于染色单体的宽度。在制备染色体标本过程中，会因各种因素的影响形成裂限，故人为烈隙并非染色质损伤，所以，在计算垫色体瞌变率时诵常不考虑裂隙」断裂(break)同裂隙但无染色质区域的大小大于染色单体的宽度。 3 断片(fragment)和缺失(deletion)染色体或染色单体断裂后，无着丝粒的部分可与有者丝粒的部分分开，形成断片，有者丝粒的部分称为缺失。发生在染色体或染色单体末端的缺失称为末端缺失，发生在臂内任何部分的缺失称为中间缺失。 4.微小体(minute bo小v中间缺失形成的断片有时很小，成圆点状，称为微小体 5.无若丝点不ad c ring)无着丝粒的染色体或染色单体断片连在 6.环状染色体(ring chromoome)染色体两条臂均发生断裂后带有者丝粒部分的两端通接起来形成环状。通常伴有一对无着丝点的断片。 7.双着丝点染色体dicentric chromome)两条染色体断裂后，两个有着丝粒的节段重接，形成双若丝点染色体。属于不平衡易位。 8倒位in n在一条染色体或染色单体上发生两外断，其中间节段旋转180C后再重接如果被颠倒的是有者丝点的节段，称为臂间倒位：如被颠倒的仅是长臂或短臂范围内的一节段，称为臂内倒位 9.易位(tranlocation)当两条染色体同时发生断裂后，互相交换染色体片段。如果交换的 154

154 段重复的核苷酸序列。缺失和重复都可能打乱基因的读码顺序，引起移码突变。重组指两个不同基因的局部片段的相互拼接和融合。重排则指DNA链发生两处断裂，断片发生倒位后再重新接上。根据突变后基因产物功能的改变，基因突变可分为正向突变及回复突变。正向突变 (forward mutation)是导致基因产物正常功能丧失的突变，回复突变(reverse mutation)则指使基因产物的功能恢复的突变。二、染色体畸变染色体畸变(chromosome aberration)是指染色体结构的改变。染色体畸变牵涉的遗传物质改变的范围比较大，一般可通过在光学显微镜下观察细胞有丝分裂中期相来检测。染色体结构改变的基础是DNA链的断裂，所以把能引起染色体畸变的外源化学物称为断裂剂 (clastogen)。染色体畸变可分为染色单体型畸变 (chromatid-type aberration) 和染色体型畸变 (chromosome-type aberration)。前者指组成染色体的两条染色单体中仅一条受损，后者指两条染色单体均受损。细胞在DNA复制前受电离辐射的作用，可引起染色体型畸变，在DNA 复制后受电离辐射作用则引起染色单体型畸变。大多数化学断裂剂一般是诱发DNA单链断裂，经过S期进行复制后，在中期相细胞表现为染色单体型畸变。但也有少数断裂剂可引起 DNA双链断裂，如果细胞在Gl期或G0期受这些断裂剂作用，经S期复制到中期可表现染色体型畸变，若作用于S期复制后及C2期，在中期相则出现染色单体型畸变，此类化学物称之为拟放射性断裂剂(radiomimetic clastogen)。染色单体型的畸变在经过一次细胞分裂后，会转变为染色体型畸变。染色体或染色单体受损发生断裂后，可形成断片，断端也可重新连接或互换而表现出各种畸变类型。主要有以下几种： 1. 裂隙(gap)在一条染色单体或两条染色单体上出现无染色质的区域，但该区域的大小等于或小于染色单体的宽度。在制备染色体标本过程中，会因各种因素的影响形成裂隙，故认为裂隙并非染色质损伤，所以，在计算染色体畸变率时通常不考虑裂隙。 2. 断裂(break)同裂隙，但无染色质区域的大小大于染色单体的宽度。 3. 断片(fragment)和缺失(deletion)染色体或染色单体断裂后，无着丝粒的部分可与有着丝粒的部分分开，形成断片，有着丝粒的部分称为缺失。发生在染色体或染色单体末端的缺失称为末端缺失，发生在臂内任何部分的缺失称为中间缺失。 4. 微小体(minute body)中间缺失形成的断片有时很小，成圆点状，称为微小体。 5. 无着丝点环(acentric ring)无着丝粒的染色体或染色单体断片连在一起呈环状。 6. 环状染色体(ring chromosome)染色体两条臂均发生断裂后，带有着丝粒部分的两端连接起来形成环状。通常伴有一对无着丝点的断片。 7. 双着丝点染色体(dicentric chromome)两条染色体断裂后，两个有着丝粒的节段重接，形成双着丝点染色体。属于不平衡易位。 8. 倒位(inversion)在一条染色体或染色单体上发生两处断裂，其中间节段旋转180℃后再重接。如果被颠倒的是有着丝点的节段，称为臂间倒位；如被颠倒的仅是长臂或短臂范围内的一节段，称为臂内倒位。 9. 易位(tranlocation)当两条染色体同时发生断裂后，互相交换染色体片段。如果交换的

两套完整的染色体组，称为二倍体diploid)。生殖细胞在减数分裂后，染色体数目减半，仅具有一套完整的染色体组，称为单倍体(haploid()表7-1)。表7-1不同物种动物的染色体数目物种体细胞2m)性细胞( 物种体细胞(2m 性细胞) 23 38 19 大鼠 42 21 44 22 小鼠 40 20 狗 78 39 在细胞分裂过程中，如果染色体出现复制异常或分离障碍就会导致细胞染色体数目的异常。染色体数目异常包括非整倍体和整倍体。 L.非整倍体非整倍体aneuploid)指细胞丢失或增加一条或几条染色体。缺失一条染色体时称为单体(mono0me),增加一条染色体时称为三体(trisome)。垫色体数目的改变会导致基因平衡的失调，可能影响细胞的生存或造成形态及功能上的异常。如21三体导致先天愚型 (Down氏合征) 2.整倍体整倍体©uploid)指染色体数目的异常是以染色体组为单位的增减，如形成倍体(triploid)、四倍体(tetroploid)等。在人体，3n为69条染色体，4n为92条染色体。在肿瘤细胞及人类自然流产的胎儿细胞中可有三倍体细胞的存在。发生于生殖细胞的整倍体改变，几乎都是致死性的。第三节致突变作用机制突变可分为基因突变、染色体畸变及基因组改变，外源化学物引起基因突变和染色体畸变的靶主要是DNA,而引起非整倍体及整倍体的靶主要是有丝分裂或减数分裂器，如纺缍丝等。 DNA损伤与突变外源化学物引起DNA损伤、诱发突变的机理很复杂。到目前，仅对少数化学物对DNA 损伤作用的机理比较清楚，现介绍主要的几种作用方式。 1.碱基类似物的取代有一些外源化学物与DNA分子中的四种天然碱基的结构相似，称之为碱基类似物(base analogue)。这些化学物可在DNA合成期(S期)，取代天然碱基，掺人 DNA分子，引起碱基配对特性的改变，引发突变。如5-溴尿嘧啶(5-BU)与胸腺嘧啶(T的分子结构十分相似，唯一的区别是在C位置上前者是B原子，后者是甲基。在DNA合成期， 5-BrU可与T竞争取代而掺入DNA链中，在下一次的DNA复制过程中，5-BrU与T一样可与腺 SR-I

156 两套完整的染色体组，称为二倍体(diploid)。生殖细胞在减数分裂后，染色体数目减半，仅具有一套完整的染色体组，称为单倍体(haploid)(表7-1)。表7-1 不同物种动物的染色体数目物种体细胞(2n) 性细胞(n) 物种体细胞(2n) 性细胞(n) 人 46 23 大鼠 42 21 小鼠 40 20 猫 38 19 兔 44 22 狗 78 39 在细胞分裂过程中，如果染色体出现复制异常或分离障碍就会导致细胞染色体数目的异常。染色体数目异常包括非整倍体和整倍体。 1. 非整倍体非整倍体(aneuploid)指细胞丢失或增加一条或几条染色体。缺失一条染色体时称为单体(monosome)，增加一条染色体时称为三体(trisome)。染色体数目的改变会导致基因平衡的失调，可能影响细胞的生存或造成形态及功能上的异常。如21三体导致先天愚型 (Down氏综合征)。 2. 整倍体整倍体(euploid)指染色体数目的异常是以染色体组为单位的增减，如形成三倍体(triploid)、四倍体(tetroploid)等。在人体，3n为69条染色体，4n为92条染色体。在肿瘤细胞及人类自然流产的胎儿细胞中可有三倍体细胞的存在。发生于生殖细胞的整倍体改变，几乎都是致死性的。第三节致突变作用机制突变可分为基因突变、染色体畸变及基因组改变，外源化学物引起基因突变和染色体畸变的靶主要是DNA，而引起非整倍体及整倍体的靶主要是有丝分裂或减数分裂器，如纺缍丝等。一．DNA损伤与突变外源化学物引起DNA损伤、诱发突变的机理很复杂。到目前，仅对少数化学物对DNA 损伤作用的机理比较清楚，现介绍主要的几种作用方式。 1. 碱基类似物的取代有一些外源化学物与DNA分子中的四种天然碱基的结构相似，称之为碱基类似物(base analogue)。这些化学物可在DNA合成期(S期)，取代天然碱基，掺人 DNA分子，引起碱基配对特性的改变，引发突变。如5-溴尿嘧啶(5-BrU)与胸腺嘧啶(T)的分子结构十分相似，唯一的区别是在C 5位置上前者是Br原子，后者是甲基。在DNA合成期， 5-BrU可与T竞争取代而掺入DNA链中，在下一次的DNA复制过程中，5-BrU与T一样可与腺

图7-35-BU的碱基配对嘌吟(A)配对。但是，由于Br原子带的负电荷要比甲基强得多，5BU可发生异构互变，由常见的租式变为少见的稀醇式。这种情况下，在DNA复制时，5-BU不是与A配对而是与鸟圆吟(G)配对，导致T:A一C:G的转换 DNA分子共价结合形成加合物许多亲电子性化学物可与DNA作用形成共价结合物-加合物(adduct)。对于不同的诱变剂，其与DNA作用的碱基位置不同，引起DNA理化特性的改变也不同，因而会诱发不同类型的突变。一些芳香族化学物经代谢活化后形成亲电子基团，可与DNA碱基上的亲核中心形成加合物。如苯并(a)花Ba)P).经混合功能氧化催化加单氧，生成7,8-环氧B叫aP,经水化酶催化生成78-二氢二醇-B(aP,再经混合功能氧化酶催化加单氧生成7,8 一一破0 0环氧化物，后者为亲电子剂可与DNA发生共价结合形成加合物，引起DNA构象改变，导致突变。还有一类化学物可提供甲基或乙基等烷基，而与DNA发生共价结合，这类化学物称为烷化剂(alkylating agent).烷化剂可使DNA 碱基发生烷化，引起配对特性的改变，导致碱基置换型突变：也可能导致碱基与脱氧核糖结合力下降，引起脱嘌吟、脱嘧啶作用，最终导致移码突变、DNA链断裂等。如鸟嘌吟O发生烷化后，会出现与胸腺嘧啶的错配，引起G:C一A:T的转换。有的烷化剂具有同时授与两个或三个烷基的功能，相应地称为双功能或三功能烷化剂。它们除了可使碱基生烷化列还常引起D小A发生链内或链间的交联，或与蛋白质的交联，交联常可导致染色体或染色单体的新裂。 0甲某C 图740心鸟暖吟烷化后的碱基配对 3.改变碱基的结构某些诱变剂可与碱基发生相互作用，使碱基发生除形成加合物以外的化学结构改变，引起错误配对或DNA链断裂。如亚硝酸可使胞嘧啶、腺嘌呤氧化脱氨基，分别形成尿噤吟和次黄吟，新的碱基形成后，配对关系发生变化尿嘌呤、次黄嘌吟分别可与腺嘌吟和胞嘧啶配对，导致C:G一T:A和A:T一G:C的转换。 4.嵌入DNA链一些具有平面环状结构的化学物可以非共价结合的方式嵌入核苷酸链之间或碱基之间，干扰DNA复制酶或修复酶，引起碱基对的增加或缺失，导致移码突变。二、非整倍体及整倍体的诱发非整倍体可由细胞在第一次减数分裂时同源染色体不分离(nondisjunction),或在第二次减数分裂或有丝分裂过程中，姐妹染色单体不分离而形成。不分离的结果导致在细胞的一极纺锤体接受了两个同源染色体或姐妹染色单体，而另一极则没有。如果分离受影响的仅为条或一对染色体，在分裂后的子细胞中，一个细胞会多一条染色体，而另一个细胞则少条染 157

157 图7-3 5-BrU的碱基配对嘌吟(A)配对。但是，由于Br原子带的负电荷要比甲基强得多，5-BrU可发生异构互变，由常见的酮式变为少见的稀醇式。这种情况下，在DNA复制时，5-BrU不是与A配对而是与鸟嘌吟(G)配对，导致T：A→C：G的转换。 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作用形成共价结合物-加合物(adduct)。对于不同的诱变剂，其与DNA作用的碱基位置不同，引起DNA理化特性的改变也不同，因而会诱发不同类型的突变。一些芳香族化学物经代谢活化后形成亲电子基团，可与DNA碱基上的亲核中心形成加合物。如苯并(α)芘(B(α)P)，经混合功能氧化酶催化加单氧，生成7，8-环氧B(α)P，经水化酶催化生成7，8-二氢二醇-B(α)P，再经混合功能氧化酶催化加单氧生成7，8-二氢二醇-9，10-环氧化物，后者为亲电子剂，可与DNA发生共价结合形成加合物，引起DNA构象改变，导致突变。还有一类化学物可提供甲基或乙基等烷基，而与DNA发生共价结合，这类化学物称为烷化剂(alkylating agent)。烷化剂可使DNA 碱基发生烷化，引起配对特性的改变，导致碱基置换型突变；也可能导致碱基与脱氧核糖结合力下降，引起脱嘌吟、脱嘧啶作用，最终导致移码突变、DNA链断裂等。如鸟嘌呤O6发生烷化后，会出现与胸腺嘧啶的错配，引起G：C→A：T的转换。有的烷化剂具有同时授与两个或三个烷基的功能，相应地称为双功能或三功能烷化剂。它们除了可使碱基发生烷化外，还常引起DNA发生链内或链间的交联，或与蛋白质的交联，交联常可导致染色体或染色单体的断裂。 3. 改变碱基的结构某些诱变剂可与碱基发生相互作用，使碱基发生除形成加合物以外的化学结构改变，引起错误配对或DNA链断裂。如亚硝酸可使胞嘧啶、腺嘌呤氧化脱氨基，分别形成尿嘌呤和次黄嘌呤，新的碱基形成后，配对关系发生变化，尿嘌呤、次黄嘌呤分别可与腺嘌呤和胞嘧啶配对，导致C：G→T：A和A：T→G：C的转换。 4. 嵌入DNA链一些具有平面环状结构的化学物可以非共价结合的方式嵌入核苷酸链之间或碱基之间，干扰DNA复制酶或修复酶，引起碱基对的增加或缺失，导致移码突变。二、非整倍体及整倍体的诱发非整倍体可由细胞在第一次减数分裂时同源染色体不分离(nondisjunction)，或在第二次减数分裂或有丝分裂过程中，姐妹染色单体不分离而形成。不分离的结果导致在细胞的一极，纺锤体接受了两个同源染色体或姐妹染色单体，而另一极则没有。如果分离受影响的仅为一条或一对染色体，在分裂后的子细胞中，一个细胞会多一条染色体，而另一个细胞则少条染图 7-4 0 6 鸟嘌呤烷化后的碱基配对

色体，分别形成三体和缺体。非整倍体剂(aneugen)有多种机制导致细胞分裂异常，诱发非整倍体。其作用的靶可以为：①微管的合成和组装、纺锤体形成：②中心粒和极体的合成、分裂及其功能：②着丝粒蛋白的组装及其功能和着丝粒DN 性细胞减数分裂与有丝分裂的机理不同，其非整倍体形成的机制也有所不同，所以，利用体细胞非整倍体试验不能检测对减数分裂特异的非整倍体剂。多倍体涉及整个染色体组。在有丝分裂过程中，若染色体己正常复制，但由于纺锤体受损，垫色单体不能分离到子细胞中，这时染色体数目就会加倍，形成四倍体。成数分裂的异常也可使配子形成二倍体，若二倍体的配子受精，可形成多倍体的受精卵。一个卵子被多个精子受精，也可形成多倍体三、DNA损伤修复与突变 L.生物体对DNA损伤的修复及耐受环境因素可引起各种类型的DNA损伤，并不是所有损伤都会表现为突变。细跑对于DNA 损伤有修复及耐受机制。细胞内G/S交界处的关卡点(checkPoint))负责检查染色体DA是否有损伤，如果DNA有损伤则把细胞阻止子更求细先进修复后能复制免遗传信息出错。DNA受损后，细胞利用其修复系统对损伤进行修复，如果DNA损伤能被正确无误地修复，那么，对生物体而言，这种损伤不会产生什么后果，亦即不引起突变。只有损伤不能被修复或在修复中出现了错误，一般需经过2次或多次细胞周期才有可能固定下来，并传递到后代的细胞或个体，引起突变。所以，环境致突变作用的模式应为遗传机构损伤损伤修复·突变周定突变 DNA损伤修复机制可分为直接修复(direct repair)和切除修复(excision repair))。直接修复使损伤DNA回复正常，包括光修复及O户.甲基鸟嘌吟修复等。光修复是针对紫外线引起的晒啶二聚体的修复功能，其修复机制比较简单，且很特异。在可见光存在的条件下，经酶的作用将二聚体打开，使相邻的腔碱基回同复原来的结构，一般为无误修复。生物进化程度战高此种修复功能越弱。O心.甲基鸟吟修复，修复在O位上含有烷基的鸟嘌吟，靠O.甲基鸟漂吟-.DNA甲基转移酶将O5.甲基鸟嘌吟的甲基转移至该的半胱氨酸残基上而恢复鸟嘌正常的碱基配对特性，该酶在修复过程中被不可逆地失活。在大肠杆菌、酵母、呐齿类及人类细胞都发现有O甲基鸟嘌吟-DNA甲基转移酶。该酶具有可诱导性，如在大肠杆菌每个细胞含13~60个醇分子，诱导后可增加到每个细胞3000个酶分子。对于其他的烷化碱基也可能存在类似的特异修复系统。切除修复指除去损伤碱基、含损伤的DNA片段或错配碱基的机制。与光修复及O甲基鸟嘌吟修复不同，该修复机制适应于广泛的DNA损伤类型，是最主要的DNA损伤修复途径一般为无误修复。依据其切除对象的不同可分为核苷酸切除修复、碱基切除修复及错配碱基修复三种类型。核苷酸切除修复(ucleotide 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helicase)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 连接酶的作用下连接，恢复原来序列。核苷酸切除修复时，对于存在于活性转录链上的嘧喷二聚体和某些加合物等损伤比存在于互补的非转录链或无活性序列上的损伤可优先去除。对

158 色体，分别形成三体和缺体。非整倍体剂(aneugen)有多种机制导致细胞分裂异常，诱发非整倍体。其作用的靶可以为：①微管的合成和组装、纺锤体形成；②中心粒和极体的合成、分裂及其功能；②着丝粒蛋白的组装及其功能和着丝粒DNA。性细胞减数分裂与有丝分裂的机理不同，其非整倍体形成的机制也有所不同，所以，利用体细胞非整倍体试验不能检测对减数分裂特异的非整倍体剂。多倍体涉及整个染色体组。在有丝分裂过程中，若染色体己正常复制，但由于纺锤体受损，染色单体不能分离到子细胞中，这时染色体数目就会加倍，形成四倍体。减数分裂的异常也可使配子形成二倍体，若二倍体的配子受精，可形成多倍体的受精卵。一个卵子被多个精子受精，也可形成多倍体。三、DNA损伤修复与突变 1. 生物体对DNA损伤的修复及耐受环境因素可引起各种类型的DNA损伤，并不是所有损伤都会表现为突变。细胞对于DNA 损伤有修复及耐受机制。细胞内Gl／S交界处的关卡点(checkPoint)负责检查染色体DNA是否有损伤，如果DNA有损伤，则把细胞阻止于Gl期，要求细胞先进行修复，然后才能复制，以免遗传信息出错。DNA受损后，细胞利用其修复系统对损伤进行修复，如果DNA损伤能被正确无误地修复，那么，对生物体而言，这种损伤不会产生什么后果，亦即不引起突变。只有损伤不能被修复或在修复中出现了错误，一般需经过2次或多次细胞周期才有可能固定下来，并传递到后代的细胞或个体，引起突变。所以，环境致突变作用的模式应为遗传机构损伤-损伤修复-突变固定-突变。 DNA损伤修复机制可分为直接修复(direct repair)和切除修复(excision repair)。直接修复使损伤DNA回复正常，包括光修复及O6 -甲基鸟嘌呤修复等。光修复是针对紫外线引起的嘧啶二聚体的修复功能，其修复机制比较简单，且很特异。在可见光存在的条件下，经酶的作用将二聚体打开，使相邻的嘧啶碱基回复原来的结构，一般为无误修复。生物进化程度越高，此种修复功能越弱。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。在大肠杆菌、酵母、啮齿类及人类细胞都发现有O6 -甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶。该酶具有可诱导性，如在大肠杆菌每个细胞含13～60个酶分子，诱导后可增加到每个细胞3000个酶分子。对于其他的烷化碱基也可能存在类似的特异修复系统。切除修复指除去损伤碱基、含损伤的DNA片段或错配碱基的机制。与光修复及O6甲基鸟嘌呤修复不同，该修复机制适应于广泛的DNA损伤类型，是最主要的DNA损伤修复途径，一般为无误修复。依据其切除对象的不同可分为核苷酸切除修复、碱基切除修复及错配碱基修复三种类型。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(helicase)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 连接酶的作用下连接，恢复原来序列。核苷酸切除修复时，对于存在于活性转录链上的嘧啶二聚体和某些加合物等损伤比存在于互补的非转录链或无活性序列上的损伤可优先去除。对

这种在修复时优先性的进一步深入研究有助于揭示转录、修复和突变的关系及这种关系在致突变危险性评价中的意义。碱基切除修复(repair)通常修补的是单个被损伤的核苷酸。由DNA糖基化酶识别结构有改变的受碱基，并通过水解其与脱氧核糖连接的健将损伤的碱基切除，形成嘌吟/脱嘧啶(AP)位点，然后，AP内切酶将DNA链切断，并去除原来与受损碱基连接的脱氧核糖，再在DNA聚合酶、连接酶的作用下填补失去碱基的部位，完成修复过程。DNA糖基化酶比核苷酸切除酶具有更大的特异性，但仍可切除紫外线引起的嘧啶二聚体，辐射、烷化剂、过氧化物等引起的不太大的损伤及诸如胞嘧啶脱氨基变为尿嘧啶的自发损伤等。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。错配碱基对可由复制时发生错误作为重组中间体出现也可由碱基化学修饰形成。如果错配碱基对维持到下一个复制周明，将按正常的碱基配对关系配对，在两个新的DNA分子中，一个分子正常，另一个则会含有一对错误的碱基。细胞一般可以检查到错配碱基的存在，并讲行修复。修复时针对那一条练上的碱基，关系到是否达到无误修复。如果错配是在复制过程中产生，一般是对新合成的链进行修复。对于老链利新链的识别，可根 DNA链的甲基化水平新合成链处于低甲基化状态除修复错配碱外，该修复机制还可修复在DNA复制时形成的小的缺失及插入。错配修复的缺失将导致遗传的不稳定性，错配碱基修复与肿瘤发生的关系是近年来人们关注的热点，已发现错配修复的有关基因突变与遗传性非息肉性大肠癌的发生有关。 DNA损伤修复机制具有饱和性，另外，对于某些损伤也不能有效修复。没有被修复的损伤，维持到下复制周期，有些会影响依赖DNA多聚酶的复制的精确性引起变的发生：另一些损伤可阻断DNA的复制，危及细胞的生存，此时，细胞可通过其耐受机制重新启动处于复制阻断状态模板的DNA合成。一种途径是通过复制后修复的机制，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筑补。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。另外在大肠杆菌 ,阻止DNA复制的损伤等可诱发SOS修复系统，即诱导细胞产生特殊的DNA聚合酶，以不严格的碱基配对使复制通过损伤部位。通过SOS 修复，细胞得以存活，但在此过程中常导入错误的碱基，故常为易误修复。 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。如在有切除修复缺的人成纤维细胞对于紫外线引起突变的敏感性大大高于正常的成纤维细胞表7-2太阳光照射诱发M13mD2噬茵体基因突变在不同宿主中的表达突变頓率(×10 照射时间(min) 末诱导sOS功能宿主黄透导SOS功能宿主黄 13.8 9.6 650 180 13.2 1002 159

159 这种在修复时优先性的进一步深入研究有助于揭示转录、修复和突变的关系及这种关系在致突变危险性评价中的意义。碱基切除修复(base excision repair)通常修补的是单个被损伤的核苷酸。由DNA糖基化酶识别结构有改变的受损碱基，并通过水解其与脱氧核糖连接的键将损伤的碱基切除，形成脱嘌呤／脱嘧啶(AP)位点，然后，AP内切酶将DNA链切断，并去除原来与受损碱基连接的脱氧核糖，再在DNA聚合酶、连接酶的作用下填补失去碱基的部位，完成修复过程。DNA糖基化酶比核苷酸切除酶具有更大的特异性，但仍可切除紫外线引起的嘧啶二聚体，辐射、烷化剂、过氧化物等引起的不太大的损伤及诸如胞嘧啶脱氨基变为尿嘧啶的自发损伤等。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。错配碱基对可由复制时发生错误作为重组中间体出现，也可由碱基化学修饰形成。如果错配碱基对维持到下一个复制周期，将按正常的碱基配对关系配对，在两个新的DNA分子中，一个分子正常，另一个则会含有一对错误的碱基。细胞一般可以检查到错配碱基的存在，并进行修复。修复时针对那一条链上的碱基，关系到是否达到无误修复。如果错配是在复制过程中产生，一般是对新合成的链进行修复。对于老链和新链的识别，可根据DNA链的甲基化水平，新合成链处于低甲基化状态。除修复错配碱基外，该修复机制还可修复在DNA复制时形成的小的缺失及插入。错配修复的缺失将导致遗传的不稳定性，错配碱基修复与肿瘤发生的关系是近年来人们关注的热点，已发现错配修复的有关基因突变与遗传性非息肉性大肠癌的发生有关。 DNA损伤修复机制具有饱和性，另外，对于某些损伤也不能有效修复。没有被修复的损伤，维持到下一复制周期，有些会影响依赖DNA多聚酶的复制的精确性，引起突变的发生；另一些损伤可阻断DNA的复制，危及细胞的生存，此时，细胞可通过其耐受机制重新启动处于复制阻断状态模板的DNA合成。一种途径是通过复制后修复的机制，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。另外，在大肠杆菌，阻止DNA复制的损伤等可诱发SOS修复系统，即诱导细胞产生特殊的DNA聚合酶，以不严格的碱基配对使复制通过损伤部位。通过SOS 修复，细胞得以存活，但在此过程中常导入错误的碱基，故常为易误修复。 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。如在有切除修复缺陷的人成纤维细胞，对于紫外线引起突变的敏感性大大高于正常的成纤维细胞。表7-2 太阳光照射诱发M13mp2噬茵体基因突变在不同宿主中的表达照射时间(min) 突变频率(×10－4 ) 末诱导SOS功能宿主菌诱导SOS功能宿主菌 0 1.8 13.8 60 9.6 65.0 180 13.2 100.2

突变，诱变剂、染色体断裂剂可作为引发剂而引起癌变。 2体细胞突变与致骑诱变剂可通过胎盘，引起胚胎体细胞的突变，干扰胚胎的正常发有过程，使胎儿出现形态结构的异常。诱变剂作用于胚胎体细胞引起的畸型与作用于生殖细胞的峋型不前者造传后者可造传的改 3.体细胞突变的其他不良后果有人认为动脉粥样硬化的斑块是由单个突变了的平滑肌细胞增生，为良性平滑肌瘤。并且，生物体的衰老与突变也有关，有衰老的体细胞突变学说一、生殖细突恋的不良后果 1.致死性突变诱变物引起生殖细胞的突变可以是致死性的，造成配子死亡、死胎自发流产等 2.可遗传的改变生殖细胞发生非致死性突变会影响后代，表现为先天畸型等遗传性疾病，或导致遗传易感性改变等等。发生于常染色体的基因突变可以是显性的，也可以是隐性的。显性非致死性的突变会在下一代表现出来 ,隐性突变当处于杂合子状态时不表达，只有形成纯合子时才表达，所以性突变有时要在隔代，甚至数代后形成纯合子时才表现出来。观察人群中显性突变的发生可直接反映亲代配子的突变，而隐性突变的发生率则反映在纯合子形成前的几代中突变的累积在新生儿中约有1%患有常染色体显性突变的疾病（如家族性息肉，多发性神经纤维瘤等 0.25%患有常染色体隐性突变的疾病（如着色性干皮病、苯丙酮等)，0.05%志有连锁的疾病（如假肥大性肌营养障碍、血友病等）。另外，约有0.4%的婴儿患有与易位及非整倍体等染色体异常有关的疾病，其中大部分（约80%）属于三体，如Down综合征(21三体)：除引起表现为孟得尔式遗传的疾病外，基因突变在人类其他与遗传异常有关的多病因残病中也起作用。约3%~6%的新生儿患先天畸形：如果包括那些通常要在晚些时候才发生的多病因疾病，如心脏病、高血压和糖尿病等，受影的人群比例可达60%以上】生物个体生殖细胞发生突变或染色体畸变后，有些可能会在世代传递、选择过程中在群中固定下来，增加人类的遗传负荷。遗传负荷(genetic load)即人群中每个个体所携带的有害基因或致死基因的平均水平。第五节遗传毒理学试验一、遗传毒理学试验的分类遗传毒理学试验包括：用遗传学的方法，基于表型改变检测基因突变及小缺失：通过细胞学的方法观察大的染色体损伤：直接检测DNA损伤（如DNA加合物测定，DNA链断裂测定等)或间接反映DNA损伤（如DNA报伤修复发生的检测等）的试验方法。遗传毒理学试验旨在评定外源化学物对生殖细胞及体细胞的致突变性，对遗传危害性作出初步评价，并预测其到癌可能性，还可用于环境遗传毒物污染的监测及评价。目前已建立了二百多种的遗传毒理学试验，所用的指示生物涉及到病毒、细菌、霉茵、昆虫、植物、培养的哺乳动物细胞和哺乳动物等。这些指示生物在对外源化学物的代谢、 161

161 突变，诱变剂、染色体断裂剂可作为引发剂而引起癌变。 2. 体细胞突变与致畸诱变剂可通过胎盘，引起胚胎体细胞的突变，干扰胚胎的正常发育过程，使胎儿出现形态结构的异常。诱变剂作用于胚胎体细胞引起的畸型与作用于生殖细胞引起的畸型不同，前者不可遗传，后者则为可遗传的改变。 3. 体细胞突变的其他不良后果有人认为动脉粥样硬化的斑块是由单个突变了的平滑肌细胞增生，为良性平滑肌瘤。并且，生物体的衰老与突变也有关，有衰老的体细胞突变学说。二、生殖细胞突变的不良后果 1. 致死性突变诱变物引起生殖细胞的突变可以是致死性的，造成配子死亡、死胎、自发流产等。 2. 可遗传的改变生殖细胞发生非致死性突变会影响后代，表现为先天畸型等遗传性疾病，或导致遗传易感性改变等等。发生于常染色体的基因突变可以是显性的，也可以是隐性的。显性非致死性的突变会在下一代表现出来，隐性突变当处于杂合子状态时不表达，只有形成纯合子时才表达，所以隐性突变有时要在隔代，甚至数代后形成纯合子时才表现出来。观察人群中显性突变的发生可直接反映亲代配子的突变，而隐性突变的发生率则反映在纯合子形成前的几代中突变的累积。在新生儿中约有1％患有常染色体显性突变的疾病(如家族性息肉，多发性神经纤维瘤等)，0.25％患有常染色体隐性突变的疾病(如着色性干皮病、苯丙酮尿症等)，0.05％患有性连锁的疾病(如假肥大性肌营养障碍、血友病等)。另外，约有0.4％的婴儿患有与易位及非整倍体等染色体异常有关的疾病，其中大部分(约80％)属于三体，如Down综合征(21三体)。除引起表现为孟得尔式遗传的疾病外，基因突变在人类其他与遗传异常有关的多病因疾病中也起作用。约3％～6％的新生儿患先天畸形；如果包括那些通常要在晚些时候才发生的多病因疾病，如心脏病、高血压和糖尿病等，受影响的人群比例可达60％以上。生物个体生殖细胞发生突变或染色体畸变后，有些可能会在世代传递、选择过程中在人群中固定下来，增加人类的遗传负荷。遗传负荷(genetic load)即人群中每个个体所携带的有害基因或致死基因的平均水平。第五节遗传毒理学试验一、遗传毒理学试验的分类遗传毒理学试验包括：用遗传学的方法，基于表型改变检测基因突变及小缺失：通过细胞学的方法观察大的染色体损伤；直接检测DNA损伤(如DNA加合物测定，DNA链断裂测定等)或间接反映DNA损伤(如DNA损伤修复发生的检测等)的试验方法。遗传毒理学试验旨在评定外源化学物对生殖细胞及体细胞的致突变性，对遗传危害性作出初步评价，并预测其致癌可能性，还可用于环境遗传毒物污染的监测及评价。目前已建立了二百多种的遗传毒理学试验，所用的指示生物涉及到病毒、细菌、霉菌、昆虫、植物、培养的哺乳动物细胞和哺乳动物等。这些指示生物在对外源化学物的代谢

《食品毒理学》课程教学资源（教材讲义）第七章 食品中化学物质的遗传毒理学

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