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外源化学物的遗传毒性及其评价第二军医大学毒理学教研室张天宝基本概念遗传毒理学(genetic toxicology)研究环境因素对机体遗传物质和遗传过程的作用, 阐明遗传毒性对机体健康的后果及其作用机制, 为防止环境因素对遗传物质的损伤、增加生物的遗传负荷，保护生态平衡和人体健康提供科学依据的一门毒理学分支学科。
遗传负荷(genetic load):一个群体由于有害等位基因存在而使适应度下降的现象。
以人群中平均每个个体携带的有害基因的数量来表示。
种瓜得瓜，种豆得豆遗传—生物子代与亲代之间的相似性世界上没有两片完全相同的树叶变异（Variation ）—物种在个体间或各代间性状存在差异1901年发表突变学说《 Die Mutations theorie》,报告X线能改变生殖细胞的遗传物质, 首次提出突变 (Mutation) 这一术语，并提出生物的进化是因突变产生的理论。
Mutation mutare(to change)荷兰植物生理学家和遗传学家窦佛里斯(de Vries,Hugo 1848—1935)托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan 1866~1945）1909年发现自发突变(在红眼果蝇中发现了白眼果蝇),并把400多种突变基因定位在染色体上被誉为“遗传学之父”1927年，遗传学家缪勒(Müller)发现离子辐射可以造成果蝇的“基因”突变，并且确定了这些突变发生在染色体上，可以遗传给后代。
因此，通常将缪勒的发现作为是突变研究起始的标志H. J. Muller夏洛特 奥尔巴契(Charlotte Auerbach)(1899 –1994)In 1941 University of Edinburgh geneticist Charlotte Auerbach and her pharmacologist colleague John Michael Robson discovered chemical mutagenesis .Auerbach findings, provided strong evidence that highly toxic chemicals were capable of changing the genetic structure of living organisms.突变研究简史年份事件作者1904 1927 1943 19511966 1969 发现X射线可以改变生殖细胞的遗传物质用X射线照射发现可以引起基因突变发现芥子气可诱发基因和染色体畸变用X射线可诱发小鼠突变化学物可诱发小鼠突变成立国际环境诱变剂学会de VriesMullerAverbach &RobsonRussedGuttanach。
遗传毒性及其诱发机制研究随着现代生命科学技术的不断发展，对于遗传毒性及其诱发机制的研究越来越受到人们的重视。
遗传毒性是指某些化学物质、放射线等额外因素对生物体遗传物质（DNA或RNA）的短期或长期损伤，导致表观遗传现象（比如染色体畸变、基因变异等）或者潜在遗传现象（比如突变遗传）的发生。
本文将就遗传毒性的概念、特点及其诱发机制研究进行深入探讨。
一、遗传毒性的概念与特点1. 遗传毒性的概念遗传毒性是指某些化学物质、放射线等外界因素对生物体遗传物质（DNA或RNA）的短期或长期损伤。
由于生物体的遗传物质是其唯一的传代物质，因此遗传毒性可以引起潜在遗传病的发生、受体细胞毒性及肿瘤等病变的发生。
2. 遗传毒性的特点与普通化学物质相比，遗传毒性物质具有以下特点：（1）作用时间短，但对后代影响长远。
（2）浓度低，但剂量效应曲线呈现非线性或者阈值效应。
（3）诱发突变或者畸变等遗传现象的影响难以衡量。
（4）所有生物都受到影响，但不同生物对于同一物质的敏感度有巨大的差异。
二、遗传毒性的诱发机制遗传毒性的诱发机制极其复杂，涉及DNA/RNA的损伤与修复、细胞凋亡、基因表达调节等多个方面。
本文将就几个代表性的诱发机制进行介绍。
1. DNA双链断裂DNA双链断裂是一种极为严重的DNA损伤，其可以导致染色体畸变、基因重组、染色体缺失或者基因突变等严重遗传现象的发生。
有研究发现，某些化学物质、放射线及许多其他遗传毒性物质均可以导致DNA双链断裂的发生。
不过，一旦DNA双链断裂发生，机体也会立刻启动DNA损伤修复机制来尽可能减轻这种损伤的影响。
2. 突变制造机制遗传毒性物质可以直接对DNA分子进行修饰，如氧化、甲基化、一氧化氮的转移到等，导致了新构象的形成且难以转化回原来的构象，从而在复制过程中生成有错配酶活动的错误DNA复制螺旋体，也可依靠有错配酶进行介导桥垫、错配外显子剪切等机制，获得新突变或者新异构体（多为内部编码区突变或外显子剪切变异）。
外源化学物的遗传毒性及其评价第二军医大学毒理学教研室张天宝基本概念遗传毒理学(genetic toxicology)研究环境因素对机体遗传物质和遗传过程的作用, 阐明遗传毒性对机体健康的后果及其作用机制, 为防止环境因素对遗传物质的损伤、增加生物的遗传负荷，保护生态平衡和人体健康提供科学依据的一门毒理学分支学科。
遗传负荷(genetic load):一个群体由于有害等位基因存在而使适应度下降的现象。
以人群中平均每个个体携带的有害基因的数量来表示。
种瓜得瓜，种豆得豆遗传—生物子代与亲代之间的相似性世界上没有两片完全相同的树叶变异（Variation ）—物种在个体间或各代间性状存在差异1901年发表突变学说《Die Mutations theorie》,报告X线能改变生殖细胞的遗传物质, 首次提出突变(Mutation) 这一术语，并提出生物的进化是因突变产生的理论。
Mutation mutare(to change)荷兰植物生理学家和遗传学家窦佛里斯(de Vries,Hugo 1848—1935)托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan 1866~1945）1909年发现自发突变(在红眼果蝇中发现了白眼果蝇),并把400多种突变基因定位在染色体上被誉为“遗传学之父”1927年，遗传学家缪勒(Müller)发现离子辐射可以造成果蝇的“基因”突变，并且确定了这些突变发生在染色体上，可以遗传给后代。
因此，通常将缪勒的发现作为是突变研究起始的标志H. J. Muller夏洛特奥尔巴契(Charlotte Auerbach)(1899–1994)In 1941 University of Edinburgh geneticist Charlotte Auerbach and her pharmacologist colleague John Michael Robson discovered chemical mutagenesis.Auerbach findings, provided strong evidence that highly toxic chemicals were capable of changing the genetic structure of living organisms.突变研究简史年份事件作者1904 1927 1943 19511966 1969发现X射线可以改变生殖细胞的遗传物质用X射线照射发现可以引起基因突变发现芥子气可诱发基因和染色体畸变用X射线可诱发小鼠突变化学物可诱发小鼠突变成立国际环境诱变剂学会de VriesMullerAverbach&RobsonRussedGuttanach?突变（Mutation）变异（Variation ）=突变(Mutation)—遗传物质可遗传的变异（基因、染色体）突变是一种遗传状态，是可以通过复制而遗传的DNA结构的永久性改变。
遗传毒性的分子机理研究与应用遗传毒性是指某种物质在生物体内通过遗传变异或DNA损伤等方式引起的生物遗传系统的异常反应。
每年，环境中存在很多有毒有害的化学物质、毒素、重金属等物质，这些物质的存在给人体健康带来了很大的威胁。
因此，关于遗传毒性的分子机理研究和应用就变得尤为重要。
一、遗传毒性的分子机理研究1. DNA损伤和修复机制DNA是生物体中重要的遗传物质，而DNA的损伤是遗传毒性的始作俑者。
遗传毒性所引起的DNA损伤可以分为单一DNA链损伤和双DNA链损伤两种。
DNA损伤后，生物体的细胞通过一系列的修复机制来修复受损的DNA。
包括碱基切除修复（BER）、核苷酸切割修复（NER）、错配修复（MMR）和同源重组修复（HR）等。
这些过程中都包含了许多复杂的酶系统，以及对DNA损伤的识别和信号传递的分子通路。
这个研究范围极为广泛，因此，很多分子和信号通路的研究团队已经投入到了这个领域。
2. 色素体的DNA损伤色素体是有自己独立的DNA分子的细胞器。
色素体中的环氧酶、酰胺酰基转移酶等酶系统是毒性化学物质作用于色素体DNA的关键分子。
另外，与正常DNA不同，色素体DNA中没有自我修复和复制系统，一旦受损，就无法被排除。
而色素体DNA的损伤会引发氧化还原催化和洋葱化反应的发生等，最终导致癌症的生成。
3. 突变突变是DNA损伤的一种特殊形式，会导致信息的不完整传递或转换。
突变包含了点突变（包括碱基替换、硬应变、软馈应等）、插入突变、缺失突变等。
而突变引起的细胞损伤和癌症却是无法忽略的事实。
二、遗传毒性的应用1. 确定化学物质的毒性利用体外细胞毒性试验来评估某种化学物质的毒性，有很多的实际应用场景。
这样的技术可以减少动物实验的使用，提高测试的速度和准确性。
现在，已经有许多的细胞系列可以应用于这个测试，常规的只包括小鼠淋巴细胞体外细胞毒性试验（MN-Test）和细胞核微核实验（MNmicTest）。
2. 暴露监测和污染控制实践证明，环境中存在许多有毒有害的化学物质、毒素、重金属等物质，这些物质的存在对环境和人体健康都有很大威胁。
p147第六章遗传毒性的类型及其形成机制突变是遗传物质中不是由于遗传重组产生的任何可遗传的改变。
突变按发生原因又分为自发突变和诱发突变。
遗传毒理学主要研究理化因素的致突变作用，即诱发突变。
已知，理化因素对DNA的损伤如果不能及时正确地修复，DNA序列将改变并导致突变。
由于突变是单个基因和基因组信息结构的改变，因此常常引起基因功能的丧失或改变。
如果这些损伤是非致死的，将导致可遗传改变。
因此，遗传毒性(genotoxicity)通常被定义为损伤DNA和改变DNA序列的能力。
即遗传毒性是指遗传学的改变(或损伤)，而与一般毒性的概念有所不同，不是指遗传损伤的生物学后果如遗传病、肿瘤等。
鉴于此，本章所指的遗传毒性类型是指遗传学改变的类型，同样其形成机制也是指遗传学损伤的形成机制。
第一节遗传毒性的类型遗传毒性的类型依分类方法而异可分为不同的类型，至今尚无一致的意见。
从机制角度，可分为以DNA为靶的损伤和不以DNA为靶的损伤，前者包括基因突变(gene mu—tation)和染色体结构畸变(structural chromosome aberration)，后者主要指染色体数目畸变(numerical chromosome aberration)，包括整倍体(euploidy)和非整倍体(aneuploidy)改变。
从遗传损伤能否为光学显微镜所见分为细胞水平和分子水平两类损伤。
从遗传学角度或突变角度可分为基因突变、染色体结构改变和染色体数目改变三类。
从遗传毒性上来分，除三类遗传学改变外还包括DNA损伤(DNA damage)。
另外，Thilly于1986年认为整倍性改变与人类遗传病的关系极微，故主张分为基因突变作用(mutagenesis)、断裂作用(clastogenesis)和非整倍体作用(aneuploidization)。
须注意的是，近年来国外(包括国内分子遗传学界)常将mutation和mutagenesis狭义地指基因突变，而遗传毒性仅指DNA损伤。
在毒理学和预防医学中，通常采用广义的概念：如将染色体结构畸变和染色体数目畸变统称为染色体畸变；突变既包括基因突变也包括染色体畸变。
同样，诱变剂(mutagen)狭义的指能引起基因突变或增加突变速度的物质，而将引起染色体结构畸变和染色体数目异常的物质分别称为断裂剂和非整倍体诱变剂(见下述)。
广义的诱变剂则既包括引起基因突变的物质，也包括了引起染色体结构或数目异常的物质。
一、基因突变[1,2,4,6](一)基因突变和突变体的概念基因是遗传信息的贮藏、传递与实现单位。
基因的主要信息内容包含在其核苷酸碱基的线性序列中，由于核苷酸的增加或缺失，或在DNA复制和修复过程中一种核苷酸和p148另一种核苷酸的替换，都可导致DNA序列的改变，任何一种引起单个基因功能改变的上述分子变化称为基因突变。
简言之，基因突变是指基因在结构上发生了碱基对组成和排列顺序的改变。
这种改变可发生于生殖细胞或体细胞，发生于生殖细胞的突变可以遗传给下一代，发生于体细胞的突变可以遗传给该细胞有丝分裂而产生的子代。
携带突变的生物个体或群体（或株系），称为突变体( mutant)。
正是由于突变体中DNA碱基序列的改变，因而产生了突变体的表型。
突变位点可能存在于基因内，该基因称为突变基因(mutant gene)。
没有发生突变的基因称为野生型(wild type)基因。
例如，负责细菌合成Arg的基因arg为野生型基因(wild type gene)。
如果该基因突变而失去了合成Arg的能力，就必须由外界供应Arg，否则细菌就不能生长。
细菌的这种表型就称为Arg -表型，即精氨酸合成缺陷表型，其基因型写作arg -。
由此可见，突变体是指有机体的表型特征中有一种（或多种）与野生型个体的该特征有所不同。
具有这样遗传状态的有机体就叫做突变体。
需要指出的是，所谓野生型是指有机体的正性状，如能够分解某种底物的能力，能够合成某种物质（如氨基酸）的能力。
在多数情况下，从自然界分离得到的有机体种类都具有这种正性状。
但有时并不是这样，例如大家最熟悉的E. coli的lac基因，通常从自然界分离的E. coli都是lac -，即不能利用乳糖的种类。
然而，我们仍然把lac+称为野生型，而把lac -称为突变体。
从这一点来说，“野生型”这一名词常常是误用名词，但它已为遗传学家所习用。
现在，我们只要遵循上述定义，也就不会误解了。
表6 -1为描述突变的命名法，表6-2为细菌野生型和突变体的表型和基因型的表示方法。
所有细菌的基因型名称均用3个小写的斜体字母，而有关的具体基因则在3个小写字母表6 -1 描述突变的命名法（引自strachan T．Andrew PR[10]）p149后用大写的斜体字母表示，如lacZ+、lacZ -。
所有的表型名称均用3个正体字母表示（其中首字母大写），如Lac+、Lac -。
如果是对抗生素的抗性( resistance)或敏感性(sensitivi- ty)则在后面加上r或s上标。
如果是阿拉伯数字，则表示突变体分离的时间顺序。
如果是温度敏感突变，则在基因型符号加写(Ts)，如果是某种无义突变，则在基因型符号后加写该无义突变的符号：(Am)、(Oc)或(Opal)，Am为琥珀型(amber)，密码子为UAG;Oc为赭石型( Ochre)，密码子为UAA; Opal为乳石型，密码子为UGA。
对某种抗菌素的抗性Ant r对某种抗菌素的敏感性Ant s基因型：sub+能够合成或利用某种物质的野生型基因sub -影响合成或利用某种物质的突变基因subA -突变的subA基因具有温度敏感表现型subA基因的突变 subA-(Ts)具有琥珀表现型的subA基因的突变 subA-(Am)subA基因的63号突变 subA63对于某种抗菌素的抗性或敏感性的基因 ant对于某种抗菌素抗性的基因型 ant r对于某种抗生素敏感性的基因 ant s（二）基因突变的类型基因突变根据不同的分类方法可分为不同的类型。
1．单点突变和多点突变按照DNA碱基序列改变的多少，可分为单点突变(single-point mutation or point mu- tation)，即只有一个碱基对发生突变，和多点突变(multiple point mutation multiple muta- tion)，即两个或两个以上的碱基对发生改变。
点突变可以是碱基替代(base substitution)、碱基插入( base insertion)或碱基缺失(base deletion)。
单点突变通常就称为点突变(point mutation)。
但值得注意是，点突变这个术语在分子遗传等学科中常常是指碱基替代。
碱基替代可以分为两类，一类叫做转换( transition)，即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化；另一类叫颠换(t，an。
ve．sion)，即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。
点突变的重要特点之一是它具有很高的回复突变率。
p1502．移码突变与动态突变从对可读框的影响来看，有所谓移码突变(frameshift mutation)。
插入、缺失一个或两个碱基都能引起移码突变；扁平的碱基染料分子的嵌合也常引起移码突变。
移码突变不但改变了产物的氨基酸组成，而且可能使蛋白质合成过早的终止。
如果移码突变发生在必需碱基上，则发生此类突变的细胞或早期发育阶段的生物体常常是致死的。
如果插入或缺失三个碱基，若可读框不变，其产物常常有活性或有部分活性。
近年来在人体中发现一类新的DNA序列改变称为三核苷酸重复(trinucleotide repeats)或三联体重复(tripletrepeats)或三核苷酸扩展(triplet repeats，Moortin l993年提出)，即一特定的三联核苷酸被扩增(如CTG／(CTG／CTG／CTG)，重复数目超过正常数目。
目前已知有10余种遗传病有三联体重复，如强直性肌营养不良症、亨廷顿(Huntington’s)病、脆性X综合征等。
如CCG三联体核苷酸，在正常FMR一1基因中重复6～54次，而在有脆性X综合征的人体中扩展到50～1500拷贝。
这类不稳定DNA序列的基本突变方式是重复序列拷贝数的改变。
突变体与其上一代的突变速率不同。
突变的速率与拷贝数有关，重复序列的拷贝数越多，其子代发生进一步突变的危险越大。
因此这种突变方式称之为动态突变(dy—namic mutation)。
这种三核苷酸重复数目的遗传改变尚未在其他生物中发现。
它们可以发生在基因内翻译区或基因外非翻译区，可发生于减数分裂也可发生于有丝分裂。
减数分裂不稳定性表现为世代间拷贝数的改变。
很可能是胚胎发育的一特定时期，重复序列发生了不稳定变化。
正常人可能携带一个前突变，在通过生殖细胞传给下一代时可能转换成一个全突变。
如从家系观察普遍认为，重复序列的中度延长(前突变阶段)在配子卵子发生过程中出现，而高度延长(完全突变阶段)在胚胎发育的某一特定时期发生。
一种可能机制认为，在DNA复制过程中，正在延长的DNA链可向后移动，重新与模板DNA配对，最终导致新合成的DNA链长于模板DNA。
另一种可能机制则认为，姐妹染色体的重组交换过程中，可导致重复序列的延长。
因此，在同一家族的患者中，突变引起的病症可有不同的严重程度。
偶尔，该病有消退，在一代之间回归正常。
有丝分裂的不稳定性表现为同一个体不同组织或细胞系间拷贝数的不同。
3．碱基置换、移码和大段损伤(1arge segment damage)从产生基因突变的损伤可分为碱基罩换、移码和大段损伤三种类型。
大段损伤亦称DNA重排(DNA rearrangements)，指DNA序列上有较长的一段序列的重排分布，包括大段(一个碱基至数千个碱基)的插入、缺失、取代、复制、放大和倒位(见图6—1)。
这类损伤有时可波及两个基因甚至数个基因。
按严格的定义基因突变应是一个基因范围的损伤导致的改变。
当损伤足够大，例如超过104碱基对以上，就介于基因突变与染色体畸变之间的不明确的过渡范围。
目前发现引起了遗传后的DNA重排，以缺失最常见。
因缺失的片段远远小于光学显微镜所见的染色体缺失，故又称小缺失(small deletion)。
它往往是DNA链断裂后重接的结果，有时在减数分裂过程发生错误联会和不等交换也可造成小缺失。
p151图6—1 DNA重排示意图字母表示一个核苷酸、字母下的粗线表示DNA序列。
△表示缺失口表示序列改变4．同义、错义和无义突变从对遗传信息的改变或从突变发生的效应来看，点突变中碱基替代突变可以进一步分为同义突变(synonymous mutation)、错义突变(missense mutation)和无义突变(nonsensemutation)。
