2019年第七章外源化合物致突变作用.ppt

第七章外源化学物致突变作用MutagenesisofXenobiotics2一般毒性作用特殊毒性作用（致畸、致突变、致癌）——“三致”作用目的要求掌握外源化合物的致突变作用熟悉致突变作用的评价方法了解致突变作用的遗传学基础4基本概念：突变、遗传毒理学、致突变作用、致突变物致突变的类型：基因突变、染色体结构异常、染色体数目异常【内容】5致突变作用机制突变的后果：生殖细胞突变，体细胞突变机体对致突变作用的影响致突变试验第一节概述DNA转录翻译复制逆转录RNA复制RNA蛋白质基因就是指DNA中能编码蛋白质和功能RNA的特定核苷酸序列为什么子女与父母非常相象？13.313.213.1313.11121213.1113.213.3313.43LDL-R,……ApoEApoCIApoCII,……等位基因一对同源染色体统一基因座上的一对基因称为一对等位基因（allele）。二倍体细胞每一个基因是成对存在的，每一对基因分别来自双亲的染色体的同一位置上，这个位置称为基因座（locus）。等位基因之间有相互作用：如完全显性，不完全显性等。非等位基因之间也存在相互作用。复等位基因在某一种生物的群体中，每一个基因座上可以有两个以上的等位基因，这就是复等位基因（multipleallele）。例如人类的血型就是由IA,IB,i3个复等位基因决定的，这几个基因各自编码特定的红细胞表面抗原。外显子和内含子—基因的结构是断裂的（splitgene）原核生物的基因结构大多数是连续的，即基因编码蛋白质的序列是不中断的。而真核生物基因的编码序列是不连贯的，即在两个编码序列之间有一段不编码蛋白质的非编码序列。编码序列称为外显子（exon），非编码序列称为内含子（intron）。外显子是出现在mRNA分子中的基因序列；内含子则是不出现在mRNA分子中的基因序列。不同基因的外显子和内含子的数量及其长度是不等的。突变（mutation）：指遗传结构本身的变化及其引起的变异即生物体的遗传物质发生了突然的、根本的、遗传的变化，因为这种变化起源于基因和染色体，因此是可遗传的变异15突变研究简史年份事件作者1904发现X射线可以改变生殖细胞的遗传物质DeVries1927用X射线照射发现可以引起基因突变Muller1943发现芥子气可诱发基因和染色体畸变Averbach&Robson1951用X射线可诱发小鼠突变1966化学物可诱发小鼠突变Russed1969成立国际环境诱变剂学会Guttanach16现实生活中……自然界中的自发突变转基因的动、植物各种有害因素引起的突变（物理，生物，化学）突变诱发突变自发突变：取决于时间、环境以及在基因组中位置而随机变化人类健康危害新品种培育、选择、改良发生过程短，频率高；可为人类利用，也可能对人有害适应性突变：适者生存（如细菌耐药性）遗传毒理学（genetictoxicology）研究化学、物理和生物因素对遗传物质（DNA）及活细胞遗传过程的作用，以及人类接触致突变物可能引起的健康效应的学科。主要研究致突变作用机理寻找敏感检测系统发现和探究致突变物提出评价致突变物健康危害的方法突变是致突变作用的后果致突变物（mutagen）：能引起突变的物质，又称诱变剂遗传毒物（genotoxicagent）：因致突变物能引起遗传物质损伤，又称其为遗传毒物遗传毒性：对基因组的损伤能力，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：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。（突变率）致突变作用（mutagenesis）：指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，而且此种能力可随同细胞分裂过程而传递直接致突变物（direct-actingmutagen）:具有很高的化学活性，其原型就可引起生物体突变的物质间接致突变物（indirect-actingmutagen）:本身不能引起突变，必须在体内经过代谢活化才具有致突变性的物质第二节外源化学物的致突变类型遗传基因突变染色体结构改变染色体数目改变机理以DNA为靶的损伤：基因突变染色体畸变不以DNA为靶的损伤染色体数目改变突变的类型1.本质相同，损伤的程度不同2.基因突变在光学显微镜下不能观察3.染色体畸变（结构、数目）可在光学显微镜下观察mutatedtypegene：基因内存在突变位点的基因wildtypegene：没有发生突变的基因1.基因突变Geneticmutation：指基因在结构上发生了碱基对组成和排列序列的改变两种：碱基置换、移码突变24AGTC腺嘌呤鸟嘌呤胸腺嘧啶胞嘧啶碱基置换（basesubstitution）错误配对的碱基在下一次DNA复制时按正常规律配对，于是原来的碱基对被错误碱基对所置换。转换（transition）：嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化颠换（transversion）：嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化由某一碱基配对性能改变或脱落而引起的突变突变的后果同义突变（synonymousmutation）:指没有改变基因产物氨基酸序列的改变错义突变（missensemutation）:指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变无义突变（nonsensemutation）:指某个碱基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，导致多肽链在成熟之前终止合成的改变表21-2点突变的类型(以Tyr的密码子为例)无义突变同义突变错义突变DNATAC→TAA,TAG↓↓↓↓RNAUACUAAUAG↓↓↓↓aaTyrOchAmbTAC→TAT↓↓UACUAU↓↓TyrTyrTAC→TCC↓↓UACUCC↓↓TyrSerTyrosine(Tyr)酪氨酸Serine(Ser)丝氨酸无义密码子：UAA，UAG，UGA移码突变（frameshiftmutation）√指发生一对或几对不等于3的倍数的碱基减少或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译为不正常的氨基酸√因为碱基序列所形成的一系列三联体密码子相互间无标点符号，于是从受损位点开始密码子的阅读框完全改变移码突变的结果从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的氨基酸序列完全改变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移码较易成为致死性突变如果减少或增加碱基对刚好是3对，则产物的肽链中仅减少或增加1个氨基酸，其后果与碱基置换相似，与移码突变不一样，不包括在移码突变范畴30基因突变的案例——白化病一组由黑素合成相关的基因突变导致眼或眼、皮肤、毛发黑色素缺乏引起的遗传性疾病酪氨酸酶缺乏或功能减退发病率，2/1000常染色体隐性遗传31基因突变的案例——多毛症23岁的墨西哥男子丹尼·出生后就患有一种罕见的多毛症，全身都被浓厚的黑色毛发覆盖，看起来就像传说中的恐怖“狼人”。据悉，丹尼一家五代人都患有这种“狼人综合征”，他和26岁的哥哥拉里从小便被当成“怪物”，被关进笼子中四处展出。祖母携带这种变异基因，将它传给了后代。哥哥拉里、堂姐妹莉莉和卡拉、亲妹妹贾米、6岁侄女丹尼拉等32多毛症基因曾是人类身上的一种“失传基因”。当远古时代的人类还是长满毛发的灵长类动物时，身上就存在着这种基因，但当人类渐渐进化后，这种基因变得不再需要，就开始发生突变而“关闭”。然而丹尼的家族不知何故，他们体内被“关闭”的多毛症基因现在又被“打开来了”。“狼人综合征”非常罕见，患病概率只有100亿分之一，且没有根治办法。2.染色体畸变染色体结构异常（structualchromosomeaberration）：指由于染色体或染色单体断裂，造成染色体或染色单体缺失或引起各种重排，从而出现染色体结构异常染色体畸变类型在下一次细胞分裂时断片因无着丝点，故不能进入分裂的核中而滞留在细胞质中，称为“微核”（1）裂隙和断裂：指染色体上狭窄的非染色带，过去以宽度超过染色单体宽度为断裂，反之为裂隙（2）无着丝点断片和缺失染色体畸变类型后果：稳定的畸变(如倒位、易位)：染色体重排，可在机体或细胞群传递不稳定畸变（无着丝粒断片、环状染色体）：因丧失重要遗传物质或有丝分裂障碍致细胞死亡。（3）环状染色体（4）倒位（5）插位和重复（6）易位3.染色体数目异常动物正常体细胞染色体数目2n为标准异常：整倍性畸变—单倍体、三倍体、四倍体非整倍性畸变—比二倍体多或少一条或多条染色体发病率：1/800，1.25‰以13亿人口计1.25‰x13亿=162.5万。体征：智力发育不全，发育迟缓，面容呆滞，眼距宽。眼裂小，外眼角上斜，鼻根扁平，张口伸舌，流涎水缺乏抽象的思维能力，只会发单音节。常伴有四肢、五官、内脏、皮肤等方面的异常。50%患者伴有先天性心脏病，是死亡的主要原因。白血病的发病率高于常人20倍。Down综合征-为21-三体syndromeDown（唐氏）综合征患者第三节外源化学物致突变作用的机制及后果机理以DNA为靶的损伤：基因突变染色体畸变不以DNA为靶的损伤染色体数目改变-非整倍体、多倍体突变的DNA变化碱基错配平面大分子嵌入DNA链碱基类似物取代碱基的化学结构改变或破坏1.二聚体形成DNA加合物形成DNA蛋白交联物形成DNA链受损碱基损伤2.突变细胞分裂过程改变其它：3.如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和O-4-E-T分别和T、G配对，导致G∶C对转换成A∶T对；T∶A对转换成C∶GGO-6-E-GATO-4-E-TCCTTAGG烷化剂与DNA共价结合1.碱基错配烷化剂（alkylatingagent）：指对DNA和蛋白质具有强烈烷化作用的物质一般情况下甲基化乙基化高碳烷基化引起移吗突变2.平面大分子嵌入DNA链嵌入剂（intercalatingagent）：指能以静电吸附形式嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间的物质如吖啶类染料分子多数是多环的平面结构，特别是三环结构，其长度为6.8*102nm，恰好是DNA单链相邻碱基距离的两倍5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基，5-BU有酮式、烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合AAGGTBUKBUEC酮式烯醇式3.碱基类似物取代指与碱基结构类似的化学物碱基类似物能在S期中与天然碱基竞争，并取代其位置4.碱基的化学结构改变或破坏√化学物可对碱基产生氧化作用，从而破坏或改变碱基的结构，甚至引起链断裂√如甲醛、安吉甲酸乙酯、乙氧咖啡碱等在体内可形成有机过氧化物或自由基，可间接使嘌呤的化学结构破坏，出现DNA链断裂DNA链受损OOUVOOHCH3HCH3HCH3CH3HNNNNONHONHONHHNOThymineThymineThyminedimerOO454536621Fig.21-Productionofthyminedimerbyultravioletlightirradiation.紫外线诱发胸苷二聚体阻断DNA复制DNA---→环丁烷嘧啶二聚体和4-6光产物→阻止DNA复制→引起细胞死亡1.二聚体形成：紫外线加合物形成可活化癌基因，影响调节基因和抑癌基因表达2.DNA加合物形成活性化学物质与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物如生物毒素、多环芳烃和芳香族类致癌物可使DNA形成大加合物，使DNA的立体构象发生明显变化，阻断受损部位的半保留复制和转录.DNA加合物(adduct)的形成被普遍认为是诱变作用的重要事件。3.DNA－蛋白交联物：（DNA-proteincrosslinks，DPC）稳定的共价结合物对DNA构象与功能产生严重影响许多外源化学物均可引起DPC的形成（烷化剂、醛类、重金属等）4.DNA-DNA交联（DNA-DNAcrosslinks，DDC）：DNA分子上一条链的碱基与互补链上的相应碱基形成共价连接不以