化学毒物的致突变作用共74页

1.2“适应性”反应
鸟嘌呤O6位被烷化，易造成碱基错配
烷基转移酶将鸟嘌呤O6位甲基转给蛋白 质，使其恢复正常的碱基配对特性
O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基化转移酶
1.3 切除修复 负责较大范围损伤的修复机制，多步
骤修复过程，存在于真核生物
切除核苷酸修复
切除碱基修复
误配修复
1.4 复制后修复

1、由各种碱基损伤造成的突变

1.1 碱基错配
1.2
嵌入DNA链
码突变
吖啶橙、原黄素移
1.3
碱基的化学结构的改变 C氧化脱氨变为U，U与A配对， 导致C:G变为T:A，

1.4 碱基类似物的取代
2、DNA链受损引起的突变
2.1 二聚体的形成 当细胞或机体受到紫外线刺激，会使
DNA发生化学变化，主要产生环丁烷嘧啶二
染色体组成 （ABCD） （ ABCD） （ A） （ABCD） （ ABCD） （ AA） （ABCD） （ ABCD） （ AB） （ABCD） （ ABC） （ABC） （ ABC）
非整倍体细胞由正常细胞未分裂而产生， 结果是纺锤体的一极接受了同源或两个染色 单体，而另一极则没有 同源染色体减数分裂I期不能适当分离 姐妹染色体在减数分裂Ⅱ期，或有丝分裂 期不能适当分离
(2).聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(PARP)
DNA断裂修复酶，可能是氧化损伤的一种 重要修复形式
五 、评价化学毒物致突变作用的基本方法
1．观察效应终点的类型 通过试验观察到的现象所反映的各种事 件统称为遗传学终点（genetic end point）
国际环境致突变物致癌物防护委员会 (ICPEMC)于1983年提出致突变试验的遗传学 终点分为5类 DNA完整性的改变 DNA重排或交换 DNA碱基序列改变 染色体完整性改变 染色体分离异常

掌握：遗传毒理学相关概念；化学毒物致 突变类型；观察化学致突变物作用的基本 方法。
熟悉：化学毒物的致突变作用及其后果. 了解：机体对致突变作用的影响.
第一节 概述
案例 1 食品的致突变性
人类的食物中存在某些致突变的化合物。 在这些化合物中，除了本来就存在食品中 外，有相当一部分是在烹调加工过程中形 成的。
1.概念： 基因中DNA序列的变化。亦称点突变，是组成一个染色 体的一个或几个基因发生改变，不能用学显微镜直接 观察。
2.类型： （1）根据基因结构的改变分类：
碱基置换、移码突变
（一）碱基置换（base substitution）
某一碱基配对性能改变或 脱落所致的突变。 转换：同类碱基间的取代。 颠换 ：不同类碱基间的取 代。
蛋白质含量最高的肉类在烹调时可形成大 量致突变物。这是由于蛋白质热解时可形 成许多含氮的杂环物质，提供了致突变物 的前体。
案例2 化妆品的致突变性
由于育发、染发、烫发、脱发、美乳、健 美、除臭、祛斑和防晒的化妆品属于特殊 用途化妆品。由于配方中含有特殊的功效 成分如育发剂中含有氮芥、染发剂中含有 邻苯二胺，这些物质在体现功效的同时， 常具有强致突变性，其安全性日益收到重 视。卫生部对特殊用途化妆品的安全性评 价有明确规定，Ames试验是试验组合中的 必做项目。
第七章 外源化学物致突变作用
一般毒性作用 特殊毒性作用
（致畸、致突变、致癌）——“三致”作用
致突变作用---造就了“蜘蛛侠”？
现实生活中……
2公斤重的太空茄
经历过太空遨游的辣椒种子，经宇宙射线照射大多发生了遗传性基因突变。 太空椒的培育利用了可遗传的变异：基因突变
目的要求
表 21-2 点突变的类型(以 Tyr 的密码子为例)

摩尔根以果蝇为试验对象回答了这一问题，基因 在染色体上。19 Nhomakorabea20
21
•摩尔根和他的学生利用果蝇作了 大量的研究。1926年出版《基因 论》，建立了著名的基因学说。
Thomas Hunt Morgan （1866～1945）
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摩尔根在《基因论》中绘制了果蝇基因位置图，首 次完成了当时最新的基因概念的描述： 基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不仅 是决定性状的功能单位，也是一个突变单位和交换 单位。
至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。
23
摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义
◆人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因
是一种物质，是染色体上的一个特定的区段。 ◆确立并发展了染色体的遗传理论。
24
年份 1904
1927
1943
1951 1966 1969
突变研究简史
事件
作者
发现X射线可以改变生殖细 De Vries 胞的遗传物质
36
一、基因突变
❖ 基因突变（genetic mutation)：是指基 因在结构上发生了碱基对组成和排列 序列的改变（point mutation)。
不能应用光学显微镜直接进行观察，须采用理化或 生物学方法才能检出。 光学显微镜可分辨的物质最小为0.2μm 相当于4.7×106个核苷酸对的长度
37
63
染色体结构异常是染色体或染色单 体断裂所致。
当断端不发生重接或虽重接而不在 原处，即可出现染色体结构异常。
64
三、染色体数目异常
Normal human Karyotype: 46,XY 65
➢ 动物正常体细胞染色体数目2n为标准， 为二倍体。染色体数目异常可表现为整倍 性畸变和非整倍性畸变。

据估计我国目前大约有60万以上的21三体综合征患儿，按目前的出 生率我国平均20分钟就有一例21三体综合征患儿出生，全国每年出生的 唐氏综合征患儿将达27000例左右。
47,XY,+21 单纯三体，男性 。Down综合征
第三节 化学毒物致突变作用的 机制及后果
在实验动物中，用化学物质可诱导基因突变、染色体畸变、 非整倍体和多倍体。在已检出的致突变物中，大多数学物可对碱基产生氧化作用，从而破坏或改变碱基的结构， 有时还引起链断裂。
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。羟胺能使胞嘧啶C-6位的氨基变成羟氨基。这些 改变都会造成转换型碱基置换。但是亚硝酸虽然也能使鸟嘌呤变为黄 嘌呤，但是由于黄嘌呤的配对性能与鸟嘌呤一致，故并不发生碱基置 换。
第七章 化学毒物致突变作用 (1)
Mutagenesis of Toxicants
化学毒物的生殖毒性作用
生殖过程一般是指从配子形成直到胎儿娩出的整个过程。生 殖过程是很广泛的，它包括精子的发生、卵的形成和发育、配子 的释放、受精、卵裂和胚泡发育、着床、胚胎发生、胎儿发育、 分娩。而胎儿的娩出也并不意味着胎儿发育成熟的终止。从广义 上讲还应包括胎儿娩出后的新生儿期、哺乳期、直到性成熟的整 个过程。
生殖细胞(germ cell)往往是单倍体，其染色体改变即突变可传给 下一代。突变的生殖细胞根据其在二倍体中的表达，分为显性或隐 性。显性突变无论纯合子，还是杂合子均会出现表型异常；隐性突 变如为纯合子，将出现表型异常，若为杂合子，则为表型正常的携 带者。
4.基因型与表型 基因型系指控制生物性状的基因组成，它是生物体的遗传组
利用来培育和选择新种或良种。另一方面，突变也会引起人类健 康的危害。致突变作用(mutagenesis)的广义概念是外来因素。 特别是化学因子引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，而且 此种改变可随同细胞分裂过程而传递。突变是致突变作用的后果， 其中包括从一个或几个DNA碱基对的改变，即基因突变(gene mutation)到染色体的结构及数目改变，

• 遗传负荷（genetic load）
是指在一种物种群体中每一个携带的可遗传给下一代的有 害基因的平均水平。 突变负荷：是指由于基因的致死突变或有害基因突变产生 而降低了适合度，给群体带来的负荷。 分离负荷：是指由于杂合子（Aa）和杂合子（Aa） 之间的婚配，后代中必将分离而产生一部分适合 度降低的纯合子（aa），因而导致群体的适合度
突变作用的研究史
美国遗传学家。1911～1916年间，马 勒是摩尔根果蝇小组的一个重要成员，他的 主要工作是研究果蝇的遗传交换这是染色体 遗传学说的重要基础，其内容已概括在果蝇 小组成员合写的《孟德尔式遗传的机制》 (1923)一书中。1927年，他发现了 X射线 的诱变作用。这项研究结果不但有助于研究 基因的本质和基因如何控制代谢作用及个体 Hermann Joseph Muller 发育，有利于通过突变基因进行染色体结构 分析研究，而且在诱变育种发展农业生产方 (1890～1967) 面也有重要意义。
• 颠换 (transversion)嘌呤取代嘧啶；嘧啶取代嘌呤。
• 移码突变 (frameshift mutation) 指发生一对或几对（3对除外）的碱基减少或增加，以 致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码， 并转译成为不正常的氨基酸。
• 基因突变的特点： 1 是具有一定发生概率的偶发事件；
• 致突变作用 (Mutagenesis) 外来因素（化学物）引起细胞核中遗传 物质发生改变的能力，且此种改变可随 细胞分裂过程而传递。
• 遗传毒性 (genetic toxicity) 指对基因组的损害能力，包括对基因组 的毒作用引起的致突变性及其他各种不 同效应。 • 致突变性 (Mutagenicity) 是精确的概念，指引起遗传物质发生突 变的能力，在一个实验群体中突变率可 以定量检测。 二者既有联系又有区别

1、生殖细胞突变
致死性突变 显性致死：使卵子不能受精或突变配子与正
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：需要纯合子或半合子才能出现死 亡效应。
1、生殖细胞突变
非致死突变 ①产生遗传病。 ②对基因库的遗传负荷产生不良影响。 基因库是指某一物种的生育年龄群体于特
定时期能将遗传信息传至下一代的基因的 总和。 遗传负荷指基因库中携带的一定量的有害 基因。
间接致突变作用，即需要在体内代谢活化后，才具 有致突变作用。 ③化学毒物的致突变性有强，也有弱；有的在某一检 测系统中是强致突变物，而在另一系统中可能是弱 的致突变物。
入选原则： ①选择的遗传毒性试验应包括5种类型的遗传学终点。 ②实验指示生物应包括若干进化阶段的物种，既要包
括原核生物，又要包括真核生物。 ③体内试验与体外试验配合。 ④应包括生殖细胞和体细胞。 通常，对于一种受试物应当先用原核细胞或体细胞 的体外试验按遗传学终点合理配套进行试验，并对 有阳性结果的遗传学终点验证其在体内的真实性， 再行选用生殖细胞致突变试验进行遗传危害的评价。
2. 体外试验的活化系统
前致突变物：本身不具致突变性，经哺乳动物代谢 才转化成致突变物的化学物质。
①哺乳动物细胞介导：使用完整的细胞，特别是大鼠肝原代 细胞，与测试细菌或细胞一起培养。
②S9：经酶诱导剂处理后制备的肝匀浆，再经9000g离心分 离所得上清液，加上适当的缓冲液和辅助因子。
③纯化酶和基因工程。 纯化酶：纯化的细胞色素P450、谷光苷肽转 移酶、过氧化
二、染色体畸变
二、染色体畸变
指染色体的结构发生改变。 染色体型畸变：指两条染色单体都受损。 染色单体型畸变：指组成染色体的两条染
色单体中仅一条受损。 产生何种畸变，取决于损伤发生在DNA复制 前还是复制后。

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。
第三节 化学毒物致突变的不良后果
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。
第二节 化学毒物致突变作用机制
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。
第四节 研究化学毒物致突变作用的方法

减数分裂(meiosis)指通过两个细胞周期使染色体数目减少一 半的细胞分裂方式。它是一种特殊的有丝分裂。其细胞核分裂两 次，而染色体只复制一次，经过分裂后染色体数目减少一半，变 成单倍体(haploid)。
第二节 化学毒物致突变的类型
有三类遗传学损伤，即基因突变、染色体畸变及染色体数目 改变。这些损伤多因DNA受损所致，也可能因DNA以外的靶组织受 损。通常以光学显微镜的分辨率0.2 µm，来区分基因突变和染色 体畸变。因突变是用光学显微镜观察不到，须通过生长发育、生 化、形态等表型改变来判断，而染色体畸变和数目变化可用光学 显微镜进行观察。
即染色体畸变(chromosome aberration)。简单地说，突变的发 生及其过程即为致突变作用。能够引起突变的物质称为致突变物 (mutagen)。 二、遗传学基础 1.DNA与基因
在真核细胞中，遗传信息储存在核内的DNA链上，DNA是大分 子物质，由脱氧核糖、磷酸及碱基组成，其基本成分为四种核苷 酸，形成双螺旋结构。基因
生殖细胞(germ cell)往往是单倍体，其染色体改变即突变可传给 下一代。突变的生殖细胞根据其在二倍体中的表达，分为显性或 隐性。显性突变无论纯合子，还是杂合子均会出现表型异常；隐 性突变如为纯合子，将出现表型异常，若为杂合子，则为表型正 常的携带者。
4.基因型与表型 基因型系指控制生物性状的基因组成，它是生物体的遗传组
在间期细胞核中，一般没有染色体结构，只有在细胞分裂时， 染色质才螺旋化并折叠成染色体(chromosome)，故染色质与染色 体是由相同物质组成的；染色体存在于细胞中，通常只有在细胞 分裂时经过特殊染色才能清楚地看到。
染色体与基因有着平行的关系，表现为：①染色体可以在显 微镜下看到，有一定的形态结构。基因是遗传学的单位，每对基 因在杂交中仍保持它们的完整性和独立性。

倒位（inversion）
倒位的细胞学效应和遗传学效应
• 细胞学效应：倒位杂合体在减数分裂同源染 色体配对时，形成倒位环。
• 遗传学效应：倒位区内重组，形成不可育配 子。被称为“抑制重组。”
易位 （translocation）
易位的细胞学和遗传学效应
易位是指染色体片段的转移，既可发生在 非同源染色体间，亦可发生在同一条染色 体的不同位置。 易位往往造成基因移位或断裂，影响基因 功能。
化学毒物致突变作用及其评价
基本概念
• 变异（variation）--亲代之间或子代个体之间出 现不同程度的差异，这种差异称为变异
• 突变(Mutation)--遗传物质的结构改变而引起的 遗传信息改变，均可称为突变。
• 按突变原因分为自发突变和诱发突变，自发突变 与物种的进化有关；诱发突变指人为的造成突变。
T
A
G
C
转换
颠换
基因突变------转换与颠换示意图
基因突变—— 碱基置换 (错配)
原 DNA
A
T
GC
T
GGC
T
A
CGA
CCG
颠换 转换
A
c
GT
T
GGC
T
G
CA
A
CCG
A
T
GC
A
CTG
T
A
CG
T
G AC
基因突变—— 框移突变（ frame-shift mutation ）
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改变。如图：
人类23对染色体核型
染色体结构的畸变

二、染色体畸变：染色体型畸变
5. 插入和重复 插入： 在一个或两个染色体三处断裂的重接中，一个染 色体臂内由发生两处断裂而游离出带两断端的断 片插入到同一染色体另一断裂处或另一染色体的 断裂处。 • 类型：顺向插入、反向插入。 重复： 插入使该染色体有两段完全相同的节段。
二、染色体畸变：染色体型畸变
一、DNA损伤与突变：染色体畸变
（一）染色体畸变 在细胞学上，可分辨的染色体畸变类型有： 断裂、微小体、着丝点环、无着丝点环、倒位、易 位、双着丝点或多着丝点、染色单体互换形成三辐 体、四辐体或多辐体，有时可见染色体粉碎化。 染色体畸变大多伴随基因数量和结构的改变。
第八章
食品中化学毒物的 致突变作用
•主要内容
•化学毒物致突变作用的类型、突
变后果
•常用的遗传毒理学试验及致突变
试验的注意事项
0 概述
•一、基本概念 •二、遗传学基础
一、基本概念
1. 遗传：
生物物种可以通过各种繁殖方式来保证世代间 生命的延续，这个过程称为遗传。 遗传的稳定是相对的，一方面生物的遗传物质 在自我复制过程中有可能发生改变；
•③个体中成对的基因一个来自母 本，另一个来自父本。 •④不同对基因形成配子时的分离 与不同对染色体在减数分裂期的分 离，都是独立分配的。
二、遗传学基础
4、基因型与表型基因型
指控制生物性状的基因组成，它是生物体的遗传 组成。 基因型是性状发育的内因，是表型形成的根据。
环境因素对遗传所起的作用必须通过基因型才能 实现。
第二节 化学毒物致突变作用机制和后果
• • • •
一、DNA损伤与突变 二、对DNA合成和修复有关的酶系统作用 三、细胞分裂过程的改变 四、突变的后果

第二节 化学物致突变的类型
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
突变的分类
自发突变 (spontaneous mutation) 是由于普遍存在的未知因素作用下，在自然条件下发生 的突变。 特点：自发突变的发生过程长，频率极低 , 与物种的进 化有关。
遗传毒性（genetic toxicity）：指对基因组的损害能力，包 括对基因组的毒作用引起的致突变性以及其他各种不同效应。 遗传毒性的概念广泛，包括致突变性，其效应可能转变固定 为突变，也可能被修复。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
突变的分类
基因突变 (gene mutation)：一个或几个DNA 碱基对的改变。 用光学显微镜观察不到，必须通过生长发育、生化、形态 等表型改变来判断。
染色体畸变 (chromosome aberration)：染色体的结构及数 目改变，可用光学显微镜进行观察。 染色体结构改变 染色体数目改变
② 错义突变：密码子中某一碱基为另一碱基取代后，密码子的 意义改变，成为另一种氨基酸的密码子。如AGU（丝氨酸）变 成了GGU（甘氨酸），则mRNA指导合成的肽链中的丝氨酸变 成了甘氨酸。 致死突变：发生在必需基团上，严重影响蛋白质功能。 渗漏突变：突变的产物仍有部分活性，表现型介于突变型与 野生型之间。 中性突变：突变不影响或基本不影响蛋白质的功能，性状改 变不明显。
致突变物 (mutagen)：指能够引起突变的物质，又称诱变剂。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程

（一）化学致癌物的分类
化学致癌作用是指化学物质引起正常细胞发生 恶性转化并发展成肿瘤的过程，具有这种作用的 化学物质称为化学致癌物。
1、按对人类和动物的致癌性： 第一类，对人类是致癌物，即对人类致癌性证据 充分。
第二类，对人类很可能或可能是致癌物： A组：对人类很可能是致癌物(即对人类致癌性证 据有限，对实验动物致癌性证据充分)； B组：对人类可能是致癌物(即对人类致癌性证据 有限，对实验动物致癌性证据并不充分；或对人 类致癌性证据不足，对实验动物致癌性证据充分)。
环境化学诱变剂的分类
第一 组 人工合成,仅在一定条件下应用的诱变剂 1. 药品 抗癌药抗菌素,麻醉药和避孕药等 2.农药 杀虫剂,灭鼠剂,除莠剂和除霉剂等及他们的残留物 3.食品添加剂 4.化妆品 5.生物污染
第二组 工业生产中应用的或产生的环境诱变剂 1.工业烷化剂 2.有机溶剂及有机金属化合物 3.水污染物 4.空气污染物 5.重金属及其化合物
碱基置换的后果： 编码信息错误突变
化学物与碱基结合
碱基对的自发突变
AT
G GC
GC
AT
AT GC AT
AT CG AT
•HNO2和NH2OH引起正常碱基对的化学改变
（2）移码：
DNA中增加或减少一对或几对不等于3的倍 数的碱基对导致的突变。
化学物：氮蒽（杀菌剂）、二氨基丫啶
（3）DNA大段损伤
年代
1949 1950～1959 1956 1958～1964
1960～1965
1961 1962～1968
1965 1965～1968 1970～1971 1971～1981
1984～
化学致癌研究的重要历史事件（2）
研究者

毒理学基础 第八章 外源化学物的致突变作用
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演讲人姓名
第一节 概 述
PART 01
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一、基本概念
变异(variation)-----由于遗传物质在自我复制过程 中的偶而失误,或由于个体发育与生存受到变化的内外环境条件的影响,一种物种在个体或历代间的性状出现不同程度的差异.
三、常用的致突变试验方法
PART 01
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（一）鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验 （Ames test ） 1. 原理 正向突变 野生型 突变型 回复突变 野生型鼠伤寒沙门氏菌能自行合成组氨酸（his+），在 组氨酸缺乏的培养基中能生长；而突变型鼠伤寒沙门氏菌自 身不能合成组氨酸（his-），在组氨酸缺乏的培养基中不能 生长。如果细菌在受试物的作用下能在组氨酸缺乏的培养基 中生长，则说明受试物使之发生了回变，表明该受试物有突 变作用。
基因库(gene pool)——指某一物种在特定时期中能将遗传信息传至下一代的处于生育年龄的群体所含有的基因总和。（即指一种物种的群体中在生殖细胞内具有、并能传给下一代的全部基因总和。
01
遗传负荷(genetic load): 指一种物种的群体中每一个携带的可遗传给下一代的有害基因的平均水平.
01
色体组畸变的机制)
非整倍体: 不分离、染色体行动滞后、 联
会、着丝粒早熟分离
多倍体: 核内复制、 细胞质分裂障碍
其它的改变
突变的后果主要取决于化学物作用的靶细胞。
致死性突变
体细胞突变
生殖细胞突变