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
或de/2q 2号染色体长臂部分缺失 4号染色体短臂增加遗传物质 t(9;22)(q34:q11) 9号和22号染色体相互易位,断裂 点在9号染色体长臂第3区第4带 和11号染色体长臂第1区第1带 iso(6p) 等臂染色体,其两臂来源为6号 染色体的短臂 inv(16)(pl3q22) 16号染色体长臂第1区第3带至 第2区第2带间倒位 第二节致突变的分子机制 无论化学或物理、生物因素都有致突变作用,我们以化学因素为例进行阐述 、DN的损伤 目前染色体畸变和基因突变的分子机理有两种:一是以DNA为靶,直接诱变 另一则是不以DNA为靶的间接诱变 1、直接以DNA为靶的诱变 (1)碱基类似物的( base analogue)取代有些化学物的结构与碱基非 常相似,它能在S期与天然碱基竞争并取代其位置。取代后的碱基类似物出现异 构互变( tau tomerism),发生错误配对而造成碱基置换 (2)烷化剂( alkylating agent)的影响烷化剂是对DNA和蛋白质都具有强烈 烷化作用的物质,除连接戊糖的氮原子外,其对于多核苷酸链全部氧和氮原子 都能在中性环境中产生烷化作用。目前认为,最常发生烷化作用的是鸟嘌呤的 N-7位,其次是0-6位。而腺嘌呤的N-1、N-3和N-7也易烷化。在烷化作用时, 烷化基团甚至整个烷化剂分子可与碱基发生共价结合,形成加合物。鸟嘌呤发生 烷化后可从DNA上脱落,出现空缺,导致移码突变;亦可随机在互补位置上配任 碱基,使碱基置换。有的烷化剂可同时提供两个或三个烷基,称为双功能或多 功能烷化剂。这些多功能的烷化剂常使DNA链内、链间或DNA与蛋白质之间发生 交联( cross linkage)也常发生染色体或染色单体断裂,并易发生致死性突变
2q-或 de/2q 2 号染色体长臂部分缺失 4p 4 号染色体短臂增加遗传物质 t(9;22) (q34;q11) 9 号和 22 号染色体相互易位，断裂 点在 9 号染色体长臂第 3 区第 4 带 和 11 号染色体长臂第 1 区第 1 带 iso(6p) 等臂染色体，其两臂来源为 6 号 染色体的短臂 inv(16) (p13q22) 16 号染色体长臂第 1 区第 3 带至 第 2 区第 2 带间倒位 第二节 致突变的分子机制 无论化学或物理、生物因素都有致突变作用，我们以化学因素为例进行阐述 。 一、DNA 的损伤 目前染色体畸变和基因突变的分子机理有两种：一是以 DNA 为靶，直接诱变 ，另一则是不以 DNA 为靶的间接诱变。 1、直接以 DNA 为靶的诱变 (1) 碱基类似物的（base analogue）取代 有些化学物的结构与碱基非 常相似，它能在 S 期与天然碱基竞争并取代其位置。取代后的碱基类似物出现异 构互变（tautomerism）,发生错误配对而造成碱基置换。 (2)烷化剂(alkylating agent)的影响 烷化剂是对 DNA 和蛋白质都具有强烈 烷化作用的物质，除连接戊糖的氮原子外，其对于多核苷酸链全部氧和氮原子， 都能在中性环境中产生烷化作用。目前认为，最常发生烷化作用的是鸟嘌呤的 N-7 位，其次是 O-6 位。而腺嘌呤的 N-1、N-3 和 N-7 也易烷化。在烷化作用时， 烷化基团甚至整个烷化剂分子可与碱基发生共价结合，形成加合物。鸟嘌呤发生 烷化后可从 DNA 上脱落，出现空缺，导致移码突变；亦可随机在互补位置上配任 一碱基，使碱基置换。有的烷化剂可同时提供两个或三个烷基，称为双功能或多 功能烷化剂。这些多功能的烷化剂常使 DNA 链内、链间或 DNA 与蛋白质之间发生 交联(cross linkage)也常发生染色体或染色单体断裂，并易发生致死性突变
(3)致突变改变或破坏碱基的化学结构有些化学物可对碱基产生氧化作用 从而破坏碱基的结构,有时还可引起链断裂。还有些物质可在体内形成有机氧化 物或自由基,可间接使嘌呤的化学结构破坏,容易出现DNA链断裂。 (4)平面大分子嵌入DNA链有些大分子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,称为嵌入剂( intercalating agent)。它们多数是多环的平面结构,恰好是DNA单链相邻碱基距离的两倍。如 果嵌入到新合成的互补链上。就会缺失一个碱基;如果嵌入到两模板链的碱基之 间,就会使互补链插入一个碱基,造成移码突变。 2、不以DNA为靶的间接诱变 化学物的间接诱变作用可能是通过对纺锤体作用或干扰与DNA合成和修复 有关酶系统造成的。 表6-2 直接以DNA为靶的各种致突变物及其诱发的损伤和突变类型 致突变物种类 DNA损伤类型 降低碱基结合力破坏碱基碱基错配交联嵌入 烷化剂 多功能 错配剂 Brdu 亚硝酸根 羟胺 有机过氧化物和自由基形成 甲醛 乌拉坦 乙氧咖啡
（3）致突变改变或破坏碱基的化学结构 有些化学物可对碱基产生氧化作用， 从而破坏碱基的结构，有时还可引起链断裂。还有些物质可在体内形成有机氧化 物或自由基，可间接使嘌呤的化学结构破坏，容易出现 DNA 链断裂。 （4）平面大分子嵌入 DNA 链 有些大分子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，称为嵌入剂(intercalating agent)。它们多数是多环的平面结构，恰好是 DNA 单链相邻碱基距离的两倍。如 果嵌入到新合成的互补链上。就会缺失一个碱基；如果嵌入到两模板链的碱基之 间，就会使互补链插入一个碱基，造成移码突变。 2、不以 DNA 为靶的间接诱变 化学物的间接诱变作用可能是通过对纺锤体作用或干扰与 DNA 合成和修复 有关酶系统造成的。 表 6-2 直接以 DNA 为靶的各种致突变物及其诱发的损伤和突变类型 致突变物种类 DNA 损伤类型 降低碱基结合力 破坏碱基 碱基错配 交联 嵌入 烷化剂 单功能 + + + 双功能 + + + 多功能 + + 错配剂 Brdu + + 2-AP + 亚硝酸根 + + 羟胺 + 有机过氧化物和自由基形成 甲醛 + 乌拉坦 + 乙氧咖啡 +