遗传毒理学
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的健康提供科学依
据的一门毒理学分支学科。
突变研究简史
年份 事件 作者
1901
1927
1943
1951
1966
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
果蝇基因突变
发现芥子气可诱发果蝇基因
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 Vries
Muller
Averbach
&Robson
Russed
Guttanach
突变 (mutation)
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 。
按突变发生方式
?自发突变 (spontaneoue mutation)
?诱发突变 (induced mutation)
按致突变物作用方式
?直接致突变物 (direct-acting mutagen)
?间接致突变物 (indirect-acting mutagen)
或前诱变物 (promutagen)
突变分类
遗传毒物 (genotoxic agent or genotoxicant)
致突变物对生物体的起始作用点是遗传物
质,故也称为遗传毒物
遗传毒性 (genetic toxicity or genotoxicity)
遗传毒物引起生物细胞基因组分子结构特
异改变的有害效应称为遗传毒性也称为基
因毒性
?非程序 DNA合成
?姐妹染色单体交换
? DNA链断裂
?非整倍性和多倍性
下列改变属遗传毒性而非致突变性
遗传毒性与致突变性的区别
第一节 遗传毒性的类型
① 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
染色体数目改变
② 从遗传毒性角度
除以上三种外, 还包括 DNA损伤
③ 从机理角度
以 DNA为靶的损伤 (包括基因突变和染
色体结构畸变 ）
不以 DNA为靶的损伤 (主要指染色体数
目畸变, 包括整倍体和非整倍体改变 ）
④ Thilly(1986)主张分为
基因突变作用
断裂作用
非整倍体作用
基因突变,是指基因在结构上发生了碱基对组
成和排列序列的改变 。
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
一、基因突变的类型
突变基因, 突变位点可能存在于基因内,
该基因称为突变基因,
野生型基因, 没有发生突变的基因称为
野生型基因 。
野生型, 是指有机体的正性状,
碱基对替换 (base-pair substitution)
移码突变或移码框突变
(frameshift mutation)
三核苷酸重复 (triplet repeats)
大段损伤 (large fragment damge)
(一 )根据基因结构的改变
ABCDEFGHIJ
ABCDEKLMFGHIJ
ABCD GHIJ
ABCKLMGHIJ
ABCDEFDEFGHIJ
ABCDEFGHIJABCDEFGHIJ
ABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJ
ABCDEFGHIJ ABCGFEDHIJ
正常
插入
缺失
取代
重复
内重复
放大
到位
大段损伤包括：
(二 ) 根据对遗传信息的改变
同义突变, 是指没有改变基因产物氨基酸序列的改
变，显然这与密码子的 兼并性 相关,
错义突变, 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸
序列的改变的
致死突变,发生在必需基因上, 严重影
响蛋白质的功能错义突变
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,
链终止突变 是指无义突变使肽链过早终止
延长突变 是指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
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
(三 )根据突变效应方向分类
正向突变,是指改变了野生型性状的突变
回复突变,是指突变体所失去的野生型性
状可以通过第二次突变恢复
突变型野生型
回复突变
正向突变
二、染 色 体 畸 变
染色体畸变, 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
断裂剂,凡能引起染色体断裂的物质
断裂作用,染色体断裂作用的发生或过程
即为断裂作用 。
染色体型畸变
染色单体型畸变
染色体畸变的分类
可能发生整个染色体的断裂或染色单体
的某一条断裂
稳定性染色体畸变
非稳定性染色体畸变
臂间倒位
人类无着丝粒和双着
丝粒染色体
无着丝粒环
断裂剂的分类
拟紫外线断裂
只能诱发 DNA单链断裂
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
在 S期或 S期之前很短的时间
内发生染色单体断裂
拟放射断裂剂
① 可诱发 DNA双链断裂剂,能在细胞周期任一
时期发生作用
② 不需经过 S期的复制即可在中期相观察到
染色体结构改变，故又称 S期不依赖断裂剂
染色体数目异常,又称 染色体数目畸变,也称
基因组突变 (genomic mutation),主要指染色体的
数目发生了改变
标准,以动物正常染色体数目 2n为基准
整倍体
单倍体
三倍体
四倍体
非整倍体
近二倍体 (2n-)
亚二倍体
超二倍体 (2n+)
三、染色体数目异常
染色体数目异常的基本类型
类型 公式 染色体组
整倍体
单倍体
二倍体
三倍体
四倍体
非整倍体
单体
三体
四体
双三体
缺体
n
2n
3n
4n
2n-1
2n+1
2n+2
2n+1+1
2n-2
(ABCD)
(ABCD) (ABCD)
(ABCD) (ABCD) (ABCD)
(ABCD) (ABCD) (ABCD) (ABCD)
(ABCD) (ABC)
(ABCD) (ABCD) (A)
(ABCD) (ABCD) (AA)
(ABCD) (ABCD) (AB)
(ABC) (ABC)
注,A,B,C,D,代表非同源染色体
第二节 遗传毒性的形成机 制
致突变机制模式
DNA损伤－修复－突变
DNA损伤 (DNA damage)
是指在遗传毒物作用下,DNA
结构和功能发生改变，阻碍
了 DNA的复制与转录或复制与
转录产物发生改变
碱基类似物的取代
链间嵌入
DNA链断裂
DNA碱基修饰
碱基烷化和共价结合
DNA－ DNA交联
DNA－ 蛋白质交联等
DNA损伤的类型
一,DNA损伤
(一 )DNA加合物和交联分子的形成
大加合物
代表物：多环芳烃, 生物毒素, 黄曲霉毒素 B和芳香胺类
后 果,DNA的立体构象发生明显变化, 阻断受损部位
DNA的半保留复制和转录 。
小加合物
代表物：烷化剂, 亚硝基化合物
后 果：对 DNA的构象影响较小, 易导致碱基错误配对 。
DNA-DNA交联 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, 称为 DNA-DNA交联,如
亚硝酸, 丝裂霉素 C,氮和硫的芥子气各种铂的衍生物
(二 )碱基类似物在 DNA复制时的掺入
? BU A:T G:C or G:C A:T
A.
T
A.
BU
掺入 复制
A.
T
G.
BU
复制
A.
T
G.
C
A.
T
A.
BU
+
+
A.
T
G.
C
G.
BU
G.
C
A.
BU
+
G.
C
G.
C
A.
BU
掺入 复制 复制
+
+
+
? AP A:T G:C
A.
T
掺入
AP.
T
复制
AP.
T
A.
T+
AP.
T
A.
T
A.
T
G.
C+
+
复制复制
(三 ) DNA分子上碱基的化学修饰
? 亚硝基引起的氧化脱氨反应
? NH2OH的致突变作用
? 烷化剂的致突变作用
(四 )嵌合剂的致突变作用
嵌合剂
原黄素 丫啶橙
染料分子 插入一个碱基
代表物,丫啶橙、原黄素等丫啶类染料分子
方 式,以静电吸附形式嵌入 DNA单链的碱基之
间或 DNA双螺旋结构的相邻核苷酸之间
后 果,移码突变
(五 )转座成分的致突变作用
生物体内含有许多转座成分，通过一种
复杂的方式复制，一个复制拷贝保留在原来
的插入部位，将另一个复制拷贝插入到基因
组的另外一个位点。复制插入到第二个部位
的过程称为 转座 (transposition)。
如：哺乳类动物的 DNA病毒和反转录病毒等
后果,移码突变，基因的中断、失活、结构
的改变等，甚至还会带入某些有害基因，增
加基因突变的频率。
(六 )增变基因
生物体内有些基因与整个基因
组的突变率直接相关,当这些基因突
变时，整个基因组的突变率明显上
升，因此把这些基因称为 增变基因
(mutator genes)。
(七 )DNA的构象改变
(八 )突变热点,基因中极易受攻击的位置，
其突变频率大大高于平均数，这些位点就称
为 突变热点 (hot spots of mutation)。
突变热点并非完全随机分布诱发突变和自
发突变中均有突变热点 。
形成原因,
5－甲基胞嘧啶 (5mC)存在, 5mC经脱氨形
成胸腺嘧啶 。
在短的连续重复序列处容易发生插入或缺
失突变, 突变热点还与突变剂有关
二,DNA修复
DNA损伤修复按其机制可分为
损伤修复机制（ repair mechanisms）
损伤耐受机制（ tolerance mechanisms）
(一 ) 损伤的逆转 — O6-烷基鸟嘌呤 -DNA
烷基转移酶 (O6-alkylguanine-DNA alkyl
transferase,AGT)或甲基鸟嘌呤转移酶
(MGMT)修复系统
(二 ) 碱基切除修复 (base excision repair,
BER) 由 DNA N-糖基化酶启动
(三 ) 核苷酸切除修复
(Nucleotide excision repair,NER)
全基因组核苷酸切除修复
转录偶联性核苷酸切除修复
DNA修复合成
（ 四）链断裂的修复
单链断裂的修复
双链断裂的修复
单链退火 (single-strand annealing,SSA)
DNA非同源性末端连接 (NHEJ)
重组修复 (recombinational repair,RR)
（五）跨损伤的 DNA合成
（六）错配修复 (mismatch repair,MMR)
原核细胞的错配修复
大肠杆菌中 DNA腺嘌呤甲基化 (DAM)
指导的修复途径 。
真核细胞的错配修复
酿酒酵母已鉴定了 6个 MutS同源物和 4
个 MutL同源物,PMS1[PMS为 post-
meiotic segregation (减数分裂后分离 )
的缩写 ]
三、整倍体和非整倍体的形成
(一 )对 DNA合成和修复有关的酶系统的作用
(二 )对纺锤体的毒作用
? 与微管蛋白二聚体结合
? 与微管上的巯基结合
? 破坏已组装的微管
? 妨碍中心粒移动
? 其它作用
四、诱重组效应 (recombinagenic effects)
很多致突变物和致畸物可增加生物体（真菌、
植物、昆虫和哺乳动物）中有丝分裂重组频
率 (Hoffmann,1994),这类物质称为重组剂
(recombinagens),有丝分裂重组令人感兴
趣还因为它与某些肿瘤的病因有关
DNA损伤
修复的效率
体细胞突变 生殖细胞突变
良性
肿瘤
恶性
转化
细胞
衰老
分化的
胚胎细
胞受损
未分化
的胚胎
细胞
显性
致死
隐性
致死
存活
突变
动脉
硬化
未知
疾病
癌
变
老
化
出生缺陷
(流产 /死
胎 ) 癌变
出生缺陷
(功能或
结构畸形 )
流产
死产
出生缺陷
基因负荷
先天性疾病
一、
遗
传
毒
性
的
后
果
第三节 遗传毒性的后果及其形成机制
二、遗传毒物对细胞周期的影响
细胞周期监控机制的破坏
细胞周期驱动机制的破坏
三、遗传毒物对细胞凋亡的影响
四、遗传毒物对细胞信号转导的影响
正常 DNA
DNA损伤
DNA修复过程
未修复的 DNA
损伤表达
断裂的 DNA分子
染色体结
构异常
基因
突变
细胞
死亡
?非整倍体
?多倍体
重组事件
? SCE
? 有丝分裂性交换
染色体分
离异常
细胞屏障
遗传毒物 无误
修复
易错
修复
细胞分裂
突变发生中的事件及遗传学终点的关系
第四节 遗传毒性的检测方法
致突变性评价方法
? 通常可采用直接测试某种遗传学终点 (基因
突变、染色体畸变、非整倍体 )，以确定受
试物是否有致突变性
? 通过测定在遗传学终点前的通道上发生的
某一事件 (如 DNA损伤,DNA修复、姐妹染色
单体交换等 )来预测化学物是否具有损伤
DNA的潜力
? 通过损伤引起的后果 (如某种酶的丢失、
某种功能的改变 )等间接揭示发生的突变
分三大类
检测基因突变
检测染色体畸变
测定 DNA损伤的标志
ＤＮＡ损伤修复的激发
ＤＮＡ加合物的形成
姐妹染色单体交换
体细胞重组
ＤＮＡ链断裂
一、基因突变检测方法
(一 )微生物分析
沙门氏菌 /组氨酸回复突变分析
大肠杆菌 Trp回复突变分析
酵母菌正向 /回复突变分析
(二 )哺乳动物细胞突变分析
近年来由于人工培养细胞技术的发展, 已获得了具
有稳定突变表型 (营养缺陷, 药物抗性等 ） 的哺乳
动物细胞珠系 。 主要涉及三种酶的基因 。
研究基因突变常用的体外哺乳动物细胞株
细胞株 用作突变子选择的基因或性状
小鼠淋巴瘤细胞 L5178Y
CHO
V79
人类细胞
TK,HGPRT,OR
HGPRT,OR
HGPRT,OR
HGPRT
TK,胸苷激酶,HGPRT,次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶
OR,毒毛旋花苷抗性
HGPRT缺陷型细胞株：
是最常用的基因座，有关结构基因或调节基因发生碱基置换、移码甚
至 X染色体重排，均可引起嘌呤类似物的抗性。
NMP
HGPRT
次黄嘌呤或
鸟嘌呤类似物
细胞
死亡
新合成
途径
NMP
HGPRT突变
8-AG 次黄嘌呤或鸟嘌呤类似物 8-AG
HGPRT缺陷型细胞株
表现 8-AG抗性
Brdu抑制
新合成途径
细胞
存活
HGPRT野生细胞株
对 8-AG敏感
DNA DNA
?
(三 )昆虫突变分析
黑腹果蝇的性连锁隐性致死 (SLRL) 测试
果蝇的体细胞突变分析
(四 ) 哺乳动物活体突变分析
当受试物在微生物或者哺乳动物离体分析
中表现阳性结果时方使用，以鉴别其对哺乳动
物尤其人类的危险度，其优越之处在于能够体
现整体动物对受试物的吸收、分布、代谢、受
试物及其代谢物的排泄状况。一般分为：
?体细胞突变分析
?生殖细胞突变分析
?转基因动物突变试验
二、染色体畸变测试
(一 ) 染色体结构畸变的检测
A,哺乳动物离体细胞遗传学分析
B,哺乳动物活体细胞遗传学分析
(二 ) 染色体数目改变的检测
A.非整倍体检测
B,多倍体检测
三,DNA损伤的测试
A,DNA链断裂
B,体细胞重组效应分析 (UDS)
C,DNA加合物的检测
D,DNA修复的检测
E,姐妹染色单体交换
F,单细胞凝胶电泳
四、现代分子生物学技术在基因突
变检测中的应用
筛查突变的方法主要有二类
DNA片段的突变导致构型改变
单链构象多态性分析
变性梯度凝胶电泳
变性－高压液相色谱分析
异源双链 DNA错配碱基的检测
化学裂解错配碱基法
酶错配切割法
切割酶片段长度多态性分析
第五节 遗传毒理学的应用
遗传毒物的筛检
环境和人群的监测
遗传危害的评价
试验组合的基本原则是
能检测五种遗传学终点
根据不同的测试对象和目的选择试验组
合 应包括体细胞和生殖细胞突变试验
指示生物应包括几个进化阶段，至少要
包括原核细胞与真核细胞两个系统
应包括体内实验与体外实验，体外实验
应代谢活化系统 (＋ S9)
遗传毒物的筛检
一些国家新药遗传毒性试验的项目
试验项目 日本 欧共体 加拿大 中国
微生物回复突变试验 + + + +
哺乳动物培养细胞染
色体畸变试验 + + + +
啮齿动物微核试验 + + + +
体外真核细胞基因突
变试验 + - ?
专家工作组 欧共体 美国 EPA
1.对生殖细胞有致突变证
据的化学物质
1类 已知人类
致突变物
－
2.对哺乳动物生殖细胞有
致突变证据的化学物质
2类 可能为人类
致突变物
证据充分
3.对哺乳动物细胞有致突
变性证据，但缺少与生
殖细胞作用证据的化学
物质
3类 具潜在致突变
效应而应予以关注
的化学物质
证据有提
示性
4.致突变性分类证据不足
的化学物质
证据有限
5.阴性证据 －
致突变物的分类标准
判断化合物是否有致突变性的标准
阳性,在检出任一遗传学终点的生物学试验中
呈现阳性反应的物质
阴性,需检测五种遗传学终点的一系列试验中
均为阴性
? DNA完整性改变
? DNA重排或交换
? DNA碱基序列改变
? 染色体完整性改变
? 染色体分离改变
确定对人具有致突变性还需做流行病学调查
环境和人群的监测
某人群或环境中遗传毒物危害性的鉴定
某人群遗传损伤的直接测试
剂量 -反应关系的测定
暴露、遗传毒性效应和生物学后果关系 的评价
通过联系和 ?或干扰进行危险度的确定
三、遗传危害的评价
危害识别
剂量 — 反应评定
暴露评定
遗传危险度评定过程中的最后
一步是遗传危险度特征描述
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的健康提供科学依
据的一门毒理学分支学科。
突变研究简史
年份 事件 作者
1901
1927
1943
1951
1966
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
果蝇基因突变
发现芥子气可诱发果蝇基因
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 Vries
Muller
Averbach
&Robson
Russed
Guttanach
突变 (mutation)
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 。
按突变发生方式
?自发突变 (spontaneoue mutation)
?诱发突变 (induced mutation)
按致突变物作用方式
?直接致突变物 (direct-acting mutagen)
?间接致突变物 (indirect-acting mutagen)
或前诱变物 (promutagen)
突变分类
遗传毒物 (genotoxic agent or genotoxicant)
致突变物对生物体的起始作用点是遗传物
质,故也称为遗传毒物
遗传毒性 (genetic toxicity or genotoxicity)
遗传毒物引起生物细胞基因组分子结构特
异改变的有害效应称为遗传毒性也称为基
因毒性
?非程序 DNA合成
?姐妹染色单体交换
? DNA链断裂
?非整倍性和多倍性
下列改变属遗传毒性而非致突变性
遗传毒性与致突变性的区别
第一节 遗传毒性的类型
① 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
染色体数目改变
② 从遗传毒性角度
除以上三种外, 还包括 DNA损伤
③ 从机理角度
以 DNA为靶的损伤 (包括基因突变和染
色体结构畸变 ）
不以 DNA为靶的损伤 (主要指染色体数
目畸变, 包括整倍体和非整倍体改变 ）
④ Thilly(1986)主张分为
基因突变作用
断裂作用
非整倍体作用
基因突变,是指基因在结构上发生了碱基对组
成和排列序列的改变 。
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
一、基因突变的类型
突变基因, 突变位点可能存在于基因内,
该基因称为突变基因,
野生型基因, 没有发生突变的基因称为
野生型基因 。
野生型, 是指有机体的正性状,
碱基对替换 (base-pair substitution)
移码突变或移码框突变
(frameshift mutation)
三核苷酸重复 (triplet repeats)
大段损伤 (large fragment damge)
(一 )根据基因结构的改变
ABCDEFGHIJ
ABCDEKLMFGHIJ
ABCD GHIJ
ABCKLMGHIJ
ABCDEFDEFGHIJ
ABCDEFGHIJABCDEFGHIJ
ABCDEFGHIJABCDEFGHIJABCDEFGHIJ
ABCDEFGHIJ ABCGFEDHIJ
正常
插入
缺失
取代
重复
内重复
放大
到位
大段损伤包括：
(二 ) 根据对遗传信息的改变
同义突变, 是指没有改变基因产物氨基酸序列的改
变，显然这与密码子的 兼并性 相关,
错义突变, 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸
序列的改变的
致死突变,发生在必需基因上, 严重影
响蛋白质的功能错义突变
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,
链终止突变 是指无义突变使肽链过早终止
延长突变 是指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
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
(三 )根据突变效应方向分类
正向突变,是指改变了野生型性状的突变
回复突变,是指突变体所失去的野生型性
状可以通过第二次突变恢复
突变型野生型
回复突变
正向突变
二、染 色 体 畸 变
染色体畸变, 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
断裂剂,凡能引起染色体断裂的物质
断裂作用,染色体断裂作用的发生或过程
即为断裂作用 。
染色体型畸变
染色单体型畸变
染色体畸变的分类
可能发生整个染色体的断裂或染色单体
的某一条断裂
稳定性染色体畸变
非稳定性染色体畸变
臂间倒位
人类无着丝粒和双着
丝粒染色体
无着丝粒环
断裂剂的分类
拟紫外线断裂
只能诱发 DNA单链断裂
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
在 S期或 S期之前很短的时间
内发生染色单体断裂
拟放射断裂剂
① 可诱发 DNA双链断裂剂,能在细胞周期任一
时期发生作用
② 不需经过 S期的复制即可在中期相观察到
染色体结构改变，故又称 S期不依赖断裂剂
染色体数目异常,又称 染色体数目畸变,也称
基因组突变 (genomic mutation),主要指染色体的
数目发生了改变
标准,以动物正常染色体数目 2n为基准
整倍体
单倍体
三倍体
四倍体
非整倍体
近二倍体 (2n-)
亚二倍体
超二倍体 (2n+)
三、染色体数目异常
染色体数目异常的基本类型
类型 公式 染色体组
整倍体
单倍体
二倍体
三倍体
四倍体
非整倍体
单体
三体
四体
双三体
缺体
n
2n
3n
4n
2n-1
2n+1
2n+2
2n+1+1
2n-2
(ABCD)
(ABCD) (ABCD)
(ABCD) (ABCD) (ABCD)
(ABCD) (ABCD) (ABCD) (ABCD)
(ABCD) (ABC)
(ABCD) (ABCD) (A)
(ABCD) (ABCD) (AA)
(ABCD) (ABCD) (AB)
(ABC) (ABC)
注,A,B,C,D,代表非同源染色体
第二节 遗传毒性的形成机 制
致突变机制模式
DNA损伤－修复－突变
DNA损伤 (DNA damage)
是指在遗传毒物作用下,DNA
结构和功能发生改变，阻碍
了 DNA的复制与转录或复制与
转录产物发生改变
碱基类似物的取代
链间嵌入
DNA链断裂
DNA碱基修饰
碱基烷化和共价结合
DNA－ DNA交联
DNA－ 蛋白质交联等
DNA损伤的类型
一,DNA损伤
(一 )DNA加合物和交联分子的形成
大加合物
代表物：多环芳烃, 生物毒素, 黄曲霉毒素 B和芳香胺类
后 果,DNA的立体构象发生明显变化, 阻断受损部位
DNA的半保留复制和转录 。
小加合物
代表物：烷化剂, 亚硝基化合物
后 果：对 DNA的构象影响较小, 易导致碱基错误配对 。
DNA-DNA交联 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, 称为 DNA-DNA交联,如
亚硝酸, 丝裂霉素 C,氮和硫的芥子气各种铂的衍生物
(二 )碱基类似物在 DNA复制时的掺入
? BU A:T G:C or G:C A:T
A.
T
A.
BU
掺入 复制
A.
T
G.
BU
复制
A.
T
G.
C
A.
T
A.
BU
+
+
A.
T
G.
C
G.
BU
G.
C
A.
BU
+
G.
C
G.
C
A.
BU
掺入 复制 复制
+
+
+
? AP A:T G:C
A.
T
掺入
AP.
T
复制
AP.
T
A.
T+
AP.
T
A.
T
A.
T
G.
C+
+
复制复制
(三 ) DNA分子上碱基的化学修饰
? 亚硝基引起的氧化脱氨反应
? NH2OH的致突变作用
? 烷化剂的致突变作用
(四 )嵌合剂的致突变作用
嵌合剂
原黄素 丫啶橙
染料分子 插入一个碱基
代表物,丫啶橙、原黄素等丫啶类染料分子
方 式,以静电吸附形式嵌入 DNA单链的碱基之
间或 DNA双螺旋结构的相邻核苷酸之间
后 果,移码突变
(五 )转座成分的致突变作用
生物体内含有许多转座成分，通过一种
复杂的方式复制，一个复制拷贝保留在原来
的插入部位，将另一个复制拷贝插入到基因
组的另外一个位点。复制插入到第二个部位
的过程称为 转座 (transposition)。
如：哺乳类动物的 DNA病毒和反转录病毒等
后果,移码突变，基因的中断、失活、结构
的改变等，甚至还会带入某些有害基因，增
加基因突变的频率。
(六 )增变基因
生物体内有些基因与整个基因
组的突变率直接相关,当这些基因突
变时，整个基因组的突变率明显上
升，因此把这些基因称为 增变基因
(mutator genes)。
(七 )DNA的构象改变
(八 )突变热点,基因中极易受攻击的位置，
其突变频率大大高于平均数，这些位点就称
为 突变热点 (hot spots of mutation)。
突变热点并非完全随机分布诱发突变和自
发突变中均有突变热点 。
形成原因,
5－甲基胞嘧啶 (5mC)存在, 5mC经脱氨形
成胸腺嘧啶 。
在短的连续重复序列处容易发生插入或缺
失突变, 突变热点还与突变剂有关
二,DNA修复
DNA损伤修复按其机制可分为
损伤修复机制（ repair mechanisms）
损伤耐受机制（ tolerance mechanisms）
(一 ) 损伤的逆转 — O6-烷基鸟嘌呤 -DNA
烷基转移酶 (O6-alkylguanine-DNA alkyl
transferase,AGT)或甲基鸟嘌呤转移酶
(MGMT)修复系统
(二 ) 碱基切除修复 (base excision repair,
BER) 由 DNA N-糖基化酶启动
(三 ) 核苷酸切除修复
(Nucleotide excision repair,NER)
全基因组核苷酸切除修复
转录偶联性核苷酸切除修复
DNA修复合成
（ 四）链断裂的修复
单链断裂的修复
双链断裂的修复
单链退火 (single-strand annealing,SSA)
DNA非同源性末端连接 (NHEJ)
重组修复 (recombinational repair,RR)
（五）跨损伤的 DNA合成
（六）错配修复 (mismatch repair,MMR)
原核细胞的错配修复
大肠杆菌中 DNA腺嘌呤甲基化 (DAM)
指导的修复途径 。
真核细胞的错配修复
酿酒酵母已鉴定了 6个 MutS同源物和 4
个 MutL同源物,PMS1[PMS为 post-
meiotic segregation (减数分裂后分离 )
的缩写 ]
三、整倍体和非整倍体的形成
(一 )对 DNA合成和修复有关的酶系统的作用
(二 )对纺锤体的毒作用
? 与微管蛋白二聚体结合
? 与微管上的巯基结合
? 破坏已组装的微管
? 妨碍中心粒移动
? 其它作用
四、诱重组效应 (recombinagenic effects)
很多致突变物和致畸物可增加生物体（真菌、
植物、昆虫和哺乳动物）中有丝分裂重组频
率 (Hoffmann,1994),这类物质称为重组剂
(recombinagens),有丝分裂重组令人感兴
趣还因为它与某些肿瘤的病因有关
DNA损伤
修复的效率
体细胞突变 生殖细胞突变
良性
肿瘤
恶性
转化
细胞
衰老
分化的
胚胎细
胞受损
未分化
的胚胎
细胞
显性
致死
隐性
致死
存活
突变
动脉
硬化
未知
疾病
癌
变
老
化
出生缺陷
(流产 /死
胎 ) 癌变
出生缺陷
(功能或
结构畸形 )
流产
死产
出生缺陷
基因负荷
先天性疾病
一、
遗
传
毒
性
的
后
果
第三节 遗传毒性的后果及其形成机制
二、遗传毒物对细胞周期的影响
细胞周期监控机制的破坏
细胞周期驱动机制的破坏
三、遗传毒物对细胞凋亡的影响
四、遗传毒物对细胞信号转导的影响
正常 DNA
DNA损伤
DNA修复过程
未修复的 DNA
损伤表达
断裂的 DNA分子
染色体结
构异常
基因
突变
细胞
死亡
?非整倍体
?多倍体
重组事件
? SCE
? 有丝分裂性交换
染色体分
离异常
细胞屏障
遗传毒物 无误
修复
易错
修复
细胞分裂
突变发生中的事件及遗传学终点的关系
第四节 遗传毒性的检测方法
致突变性评价方法
? 通常可采用直接测试某种遗传学终点 (基因
突变、染色体畸变、非整倍体 )，以确定受
试物是否有致突变性
? 通过测定在遗传学终点前的通道上发生的
某一事件 (如 DNA损伤,DNA修复、姐妹染色
单体交换等 )来预测化学物是否具有损伤
DNA的潜力
? 通过损伤引起的后果 (如某种酶的丢失、
某种功能的改变 )等间接揭示发生的突变
分三大类
检测基因突变
检测染色体畸变
测定 DNA损伤的标志
ＤＮＡ损伤修复的激发
ＤＮＡ加合物的形成
姐妹染色单体交换
体细胞重组
ＤＮＡ链断裂
一、基因突变检测方法
(一 )微生物分析
沙门氏菌 /组氨酸回复突变分析
大肠杆菌 Trp回复突变分析
酵母菌正向 /回复突变分析
(二 )哺乳动物细胞突变分析
近年来由于人工培养细胞技术的发展, 已获得了具
有稳定突变表型 (营养缺陷, 药物抗性等 ） 的哺乳
动物细胞珠系 。 主要涉及三种酶的基因 。
研究基因突变常用的体外哺乳动物细胞株
细胞株 用作突变子选择的基因或性状
小鼠淋巴瘤细胞 L5178Y
CHO
V79
人类细胞
TK,HGPRT,OR
HGPRT,OR
HGPRT,OR
HGPRT
TK,胸苷激酶,HGPRT,次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶
OR,毒毛旋花苷抗性
HGPRT缺陷型细胞株：
是最常用的基因座，有关结构基因或调节基因发生碱基置换、移码甚
至 X染色体重排，均可引起嘌呤类似物的抗性。
NMP
HGPRT
次黄嘌呤或
鸟嘌呤类似物
细胞
死亡
新合成
途径
NMP
HGPRT突变
8-AG 次黄嘌呤或鸟嘌呤类似物 8-AG
HGPRT缺陷型细胞株
表现 8-AG抗性
Brdu抑制
新合成途径
细胞
存活
HGPRT野生细胞株
对 8-AG敏感
DNA DNA
?
(三 )昆虫突变分析
黑腹果蝇的性连锁隐性致死 (SLRL) 测试
果蝇的体细胞突变分析
(四 ) 哺乳动物活体突变分析
当受试物在微生物或者哺乳动物离体分析
中表现阳性结果时方使用，以鉴别其对哺乳动
物尤其人类的危险度，其优越之处在于能够体
现整体动物对受试物的吸收、分布、代谢、受
试物及其代谢物的排泄状况。一般分为：
?体细胞突变分析
?生殖细胞突变分析
?转基因动物突变试验
二、染色体畸变测试
(一 ) 染色体结构畸变的检测
A,哺乳动物离体细胞遗传学分析
B,哺乳动物活体细胞遗传学分析
(二 ) 染色体数目改变的检测
A.非整倍体检测
B,多倍体检测
三,DNA损伤的测试
A,DNA链断裂
B,体细胞重组效应分析 (UDS)
C,DNA加合物的检测
D,DNA修复的检测
E,姐妹染色单体交换
F,单细胞凝胶电泳
四、现代分子生物学技术在基因突
变检测中的应用
筛查突变的方法主要有二类
DNA片段的突变导致构型改变
单链构象多态性分析
变性梯度凝胶电泳
变性－高压液相色谱分析
异源双链 DNA错配碱基的检测
化学裂解错配碱基法
酶错配切割法
切割酶片段长度多态性分析
第五节 遗传毒理学的应用
遗传毒物的筛检
环境和人群的监测
遗传危害的评价
试验组合的基本原则是
能检测五种遗传学终点
根据不同的测试对象和目的选择试验组
合 应包括体细胞和生殖细胞突变试验
指示生物应包括几个进化阶段，至少要
包括原核细胞与真核细胞两个系统
应包括体内实验与体外实验，体外实验
应代谢活化系统 (＋ S9)
遗传毒物的筛检
一些国家新药遗传毒性试验的项目
试验项目 日本 欧共体 加拿大 中国
微生物回复突变试验 + + + +
哺乳动物培养细胞染
色体畸变试验 + + + +
啮齿动物微核试验 + + + +
体外真核细胞基因突
变试验 + - ?
专家工作组 欧共体 美国 EPA
1.对生殖细胞有致突变证
据的化学物质
1类 已知人类
致突变物
－
2.对哺乳动物生殖细胞有
致突变证据的化学物质
2类 可能为人类
致突变物
证据充分
3.对哺乳动物细胞有致突
变性证据，但缺少与生
殖细胞作用证据的化学
物质
3类 具潜在致突变
效应而应予以关注
的化学物质
证据有提
示性
4.致突变性分类证据不足
的化学物质
证据有限
5.阴性证据 －
致突变物的分类标准
判断化合物是否有致突变性的标准
阳性,在检出任一遗传学终点的生物学试验中
呈现阳性反应的物质
阴性,需检测五种遗传学终点的一系列试验中
均为阴性
? DNA完整性改变
? DNA重排或交换
? DNA碱基序列改变
? 染色体完整性改变
? 染色体分离改变
确定对人具有致突变性还需做流行病学调查
环境和人群的监测
某人群或环境中遗传毒物危害性的鉴定
某人群遗传损伤的直接测试
剂量 -反应关系的测定
暴露、遗传毒性效应和生物学后果关系 的评价
通过联系和 ?或干扰进行危险度的确定
三、遗传危害的评价
危害识别
剂量 — 反应评定
暴露评定
遗传危险度评定过程中的最后
一步是遗传危险度特征描述
