第六章遗传毒性的类型及其形成机制doc.docx
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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（genemu—
tation）和染色体结构畸变（structuralchromosomeaberration），后者主要指染色体数目畸变
（numericalchromosomeaberration），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（DNAdamage）。
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
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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（mutantgene）。
没有发生突变的基因称为野生型（wildtype）基因。
例如，
负责细菌合成Arg的基因arg为野生型基因（wildtypegene）。
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strachanT．AndrewPR[10]）
氨基酸替代
用单字母表示：
A-丙氨酸；c-半胱氨酸；D-天冬氨酸；E-谷氨酸；F-苯丙氨酸；G-甘氨酸；
H-组氨酸；I-异亮氨酸；K-赖氨酸；L-亮氨酸；M-甲硫氨酸；N-天冬酰胺；P-脯氨酸；
Q-谷氨酰胺；R-精氨酸；S-丝氨酸；T-苏氨酸；V-缬氨酸；w-色氨酸；Y-酪氨酸；x-
终止密码子
R117H-第117位氨基酸从精氨酸变成组氨酸
G542X-第542位甘氨酸由终止子替换
核苷酸替代
核苷酸标记通常在前面加上nt（核苷酸）或np（核苷酸对）。
一般情况下号码为cDNA的有意义链（线粒体突变例
外）。
因为许多cDNA的5′端未加定义，所以其编码有可能是已发表的特殊序列。
内含子中的核苷酸可通过他们
与最近的外显子的相对位置来区别。
1162（G→A）或np1162（G→A）-cDNA中的第1162号鸟嘌呤被腺嘌呤替代；
621+1（G→T）-内含子中的第一个核苷酸（鸟嘌呤），即位于一个外显子的最后一个核苷酸（第621位）紧后
边，被胸腺嘧啶所替代。
1781-5（C→A）-在1781位置5′端前边内含子中第5个碱基——胞嘧啶替换为腺嘌呤。
缺失和插入
Delta-F508或AF508-第508号苯丙氨酸密码子缺失；
nt6232（de15）-5个核苷酸缺失，其中第1个位于6232处；
nt409（insC）-在409位核苷酸后边插入胞嘧啶。
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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。
表6-2细菌突变体和突变的表示方法（引自孙乃恩等【5]）
表型和基因型
符号
表型：
缺乏合成或利用某种物质的能力
Sub-
具有合成或利用某种物质的能力
Sub+
对某种抗菌素的抗性
Antr
对某种抗菌素的敏感性
Ants
基因型：
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
sub-
突变的subA基因
subA-
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
antr
对于某种抗生素敏感性的基因
ants
（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-pointmutationorpointmu-
tation），即只有一个碱基对发生突变，和多点突变（multiplepointmutationmultiplemuta-
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（basesubstitution）、
碱基插入（baseinsertion）或碱基缺失（basedeletion）。
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。
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2．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（frameshiftmutation）。
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（trinucleotiderepeats）或三联体重复（triplet
repeats）或三核苷酸扩展（tripletrepeats，Moortinl993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—
namicmutation）。
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（1argesegmentdamage）
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（DNArearrangements），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（smalldeletion）。
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。
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图6—1DNA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（synonymousmutation）、错义突变（missensemutation）和无义突变（nonsense
mutation）。
同义突变是指没有改变基因产物氨基酸序列的突变，显然这与密码子的简并
性相关。
错义突变是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。
有些错义突变严
重影响到蛋白质的活性甚至完全失活，从而影响了表型。
如果该基因是必需基因，则该突
变为致死突变（1ethalmutation）。
也有不少错义突变的产物仍然有部分活性，使表型介于
完全的突变型和野生型之间的某种中间类型，这样的突变又称为渗漏突变（1eakymuta—
tion）。
有一些错义突变不影响或基本不影响蛋白质的活性，不表现出明显的性状变化，
这种突变常被称为中性突变（neutralmutation）。
中性突变与同义突变常被统称为无声突
变或沉默突变（silentmutation）。
无义突变是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须终止合成的一类突变，如琥
珀突变（anbermutation）中赖氨酸的密码子AAG突变为终止密码子TAG（即UAG）。
无
义突变还可以由其他各种突变产生，如移码突变、插入突变和缺失突变都能造成无义突
变。
无义突变使肽链过早终止，因此也称为链终止突变（chainterminalmutation），其蛋白
质产物一般是没有活性的。
但是，由点突变中的碱基替代突变产生的无义突变，如果发生
在靠近3ˊ末端处，它所产生的多肽链常有一定的活性。
这样，用野生型基因产物的抗体
作为免疫学反应就可以检定这些不完全多肽链的存在，这种方法在无表型性状可利用时
显得更为重要。
如果终止密码子因突变而为氨基酸编码，结果产生过长的肽链的现象，称
为延长突变（elongationmutation）o
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5．条件型和非条件型突变
从突变表型对外界环境的敏感性来区分，可分为非条件型突变（nonconditionalmuta—
tion）和条件型突变（conditionalmutation）。
基因组中的任何基因都可以出现条件型突变，
因为生物体任何基因的表达都是依赖于各种各样的体内条件和环境条件的，所以从广义
上来说，任何突变体都可以看作是条件型的。
然而在实际的研究中，人们通常选择比较容
易控制的条件，如温度、必需的营养物质、抗生素等。
对温度敏感突变体（temperature．sen—
sitivemutant）的研究最多，因为通过提高或降低温度，可以很快或很方便地关闭或开启某
一基因。
温度敏感突变多数为错义突变。
一般而言，对于非必需基因，可以选择条件突变
也可以选择非条件突变来研究其功能；而对任何情况下都是必需的基因，任何使之失去活
性的突变都必然引起细胞死亡，因而只能通过选择各种条件突变体来研究。
条件突变体
表现为条件致死，即在许可条件（permissivecondition）下细胞生长正常或近乎正常，而在
非许可条件下表现为病态或死亡。
上面提及的温度敏感突变体已被用来研究基因，尤其
是必需基因在细胞生存、生长、分化和个体发育中的作用。
6．正向突变和回复突变
如果从突变的效应是背离还是返回到野生型这两种方向上来讲，可以分为正向突变
（forwardmutation）和回复突变（backmutation或reversemutation）。
正向突变是指改变
了野生型性状的突变。
突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变恢复，这种第二
次突变就叫做回复突变。
真正的原位恢复突变很少（也就是恢复到野生型的DNA序
列），而大多数是第二点的突变。
原来的突变基因座依然存在，而它的表型效应被基因组
第二位点的突变所抑制，因而又称为抑制突变（suppressormutation）。
抑制突变可以发生
在正向突变的基因（即同一基因的不同部位）之中，称为基因内抑制突变（intragenicsup一
pressormutation）；也可以发生在其他基因（即两次突变发生在不同的基因）之中，称为基
因间抑制突（intergenicsuppressormutation）。
根据野生表型恢复作用的性质还可以分
为直接抑制突变（directsuppressormutation）和间接抑制突变（indirectsuppressormuta．
tion）。
直接抑制突变是指通过恢复或部分恢复突变体原来突变基因（即野生型基因）蛋
白质产物的功能而使表型恢复到野生型状态。
所有基因内抑制突变的作用都是直接的，
一些改变翻译性质的基因间抑制突变的作用也是直接的。
间接抑制突变不恢复正向突变
基因的蛋白质的功能，而是通过其他蛋白质的性状或表达水平而补偿原来突变造成的缺
陷，从而使野生表型得以恢复。
7．其他
基因突变通常发生在编码区，但也可发生在基因调控的DNA序列等部位当中。
如
存在于启动子区域的点突变可改变转录水平。
这类突变中，有的能增强启动子对于转录
的发动作用，就称为启动子上升突变或启动子增效突变（promoteruPmutafton）；有的突变
则降低启动子的功能，称为启动子下降突变或启动子减效突变（pronlotordownmuta—
tion）。
如果突变位点发生在操纵子（operator）上，其位点不能为阻遏蛋白所识别；或者由
于调节基因发生突变，不能产生功能的阻遏蛋白。
这两种情况或二者之一都使结构基因
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失去负向调控，产生不依赖于需要，在细胞中有固定数量的蛋白质。
基因的这种表达方式
叫做组成型表达；产生这种表达方式的操纵子突变或调节基因的突变就叫做组成型突变
（constitutivemutation）。
启动子突变体和组成型突变体是研究基因调控的重要手段。
另
外还有剪接信号点突变（splicingsignalpointmutation），造成mRNA前体加工异常；转录
终止点突变（transcriptionterminationmutation），改变mRNA的结构；polyA加合位点点突
变（polyadenylationsitepointmutation），影响mRNA的转运；5ˊ端非翻译区点突变（5'-non—
translatedregionpointmution），使核糖体不能与mRNA结合；起始密码的突变（mutation
ofinitiationcodon），不能在该位点起始翻译等。
另外，从对基因突变的研究进展可分为已
经确定的已知突变（identifiedmutation）和待测的未知突变（unidentifiedmutation）等。
二、染色体畸变[1,2,4]
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
现染色体结构异常的称为染色体畸变或染色体结构畸变。
染色体畸变意味着染色体物质
丢失、重排在同一或不同染色体的不同部位、存在过量（扩增），所以很多染色体畸变可以
导致细胞死亡。
断裂或交换的部位通常不是随机分布于染色体上。
在断裂点，分离的断
片之间可以发生融合。
凡能引起染色体断裂的物质称为断裂剂（clastogen），这种作用的
发生或过程即为断裂作用（clastogenesis）。
在断裂剂的作用下可能发生整个染色体的断
裂或复制染色体两条染色单体的某一条断裂，故染色体畸变又可称为染色体型畸变
（chromoSome—tyPeaberrations）和染色单体型畸变（chromatid—typeaberrations）。
一对同源
染色体其中一条是正常的，而另一条发生了结构变异，含有这类染色体的个体或细胞称为
结构杂合体（structralhelerozygote）；若一对同源染色体产生了相同的结构变异，那么就称
为结构纯合体（structralhomozygote）。
根据染色体畸变的方式，又可分为稳定性染色体畸
变（stabilizingchromosomeaberration）和非稳定性染色体畸变（non—stabilizingchromosome
aberration）。
前者指带有裂隙、缺失、对称性互换、臂间倒位等畸变的染色体，由于仍具有
与正常染色体一样的着丝粒，能进行有丝分裂，因而细胞的复制不受影响，故畸变继续留
在体内。
后者指带有双着丝粒、环、无着丝粒断片等畸变染色体，在细胞分裂过程中，很容
易丢失而导致细胞死亡。
断裂作用的关键是诱发DNA断裂。
大多数化学断裂剂像紫外线一样，只能诱发DNA
单链断裂，故称拟紫外线断裂剂（ultraviolet-mimeticclastogen）。
DNA单链断裂需经S期进行
复制，才能在中期相细胞出现染色单体型畸变。
一种保守观点认为拟紫外线断裂剂主要在
S期和S期前很短时间内发生作用；并认为有时表面上看是在G2期发生的作用，实质上是
受试物质使细胞周期被延长而误认为是对G2期的作用。
不管怎样，拟紫外线断裂剂的作用
结果必须经过S期之后才显现出来，所以又称为S期依赖断裂剂（S-dependentclastogen）。
少
数化学断裂剂像电离辐射那样可诱发DNA双链断裂，故称为拟放射断裂剂（radiomimetic
clastogen）。
所以，如在S期已发生复制之后或G2期发生作用都可在中期相呈现染色单体型
畸变；而在G0和G1期作用，则经S期复制，就会在中期相呈染色体型畸变。
由于拟放射性
断裂剂能在细胞周期任一时期发生作用，并在随即到来的中期相观察到不需经过S期的染
色体结构改变，故又称S期不依赖断裂剂（S-independentclastogen）o
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1．染色体畸变
是指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，畸变类型有：
（1）断裂（break）断裂（csb）与裂隙（gap，csg）一样是染色体上狭窄的非染色带
（图6—2）。
过去以带宽超过染色单体宽为断裂，否则为裂隙。
自20世纪70年代中期开
始，国外普遍以该带所分割的两段染色体是否保持线性关系（成直线或圆滑的曲线）来区
分，无线性者为断裂，否则为裂隙。
现认为裂隙并非染色质损伤，不属于染色体畸变范畴。
环境诱变剂作用于分裂细胞时可能引起染色体断裂，如作用于细胞周期的合成期、合成后
期引起染色单体断裂（S与GlG2），如作用于合成前期或合成早期则引起染色体的断裂
（G1，Sl）期。
图6—2染色体裂隙和断裂示意图（引自参考文献[17]）
（2）断片、微小体和缺失（fragment，minutebody，deletion）一个染色体发生一处
或多处断裂而不重接且远远分开，就会出现一个或多个无着丝粒节段（acentricfragment）
和一个有着丝粒节
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