化学物质致突变作用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1323页（4288字）

化学物质致突变作用是指化学物诱发遗传物质DNA损伤的效应。

自1914年Boveri提出癌症是体细胞突变的结果以来，研究诱变性的方法运应而生。1927年 Muller首先发现电离辐射诱发基因突变，以后，Auerback报道化学物质也可引起基因突变。Cattanach报道化学物诱发小鼠的突变，人们越来越重视诱发突变的问题。突变发生在体细胞，可致肿瘤，某些疾病或与衰老有关；发生在生殖细胞可引起子代的遗传性疾病和出生缺陷。

早在60年代后期，由于具有诱变活性的环境化学物在人类生活中大量存在，人们就已意识到需要筛检出这些物质来评价它的危害。随之，在美国等相继成立专门组织来进行研究，一些检测化学物诱变活性的试验方法逐步建立和发展。

70年代开始，发现化学物引起细菌Salmo-nell和E．Coli的点突变，Ames等经过10多年的努力，建立了一个以检测化学物致突变性为基础的。行之有效的沙门氏菌回复突变试验。

此后已有上百种试验建立并采用。

80年代，许多学者认为，突变可使DNA活性改变或生长控制基因表达改变，这是致癌作用的关键。癌基因(ras)的出现，更证实了突变与致癌作用的关键。癌基因活化可能只需要单个碱基的置换或染色体改变。

DNA加成物的形成显然反映所接触的毒物具有遗传毒性。DNA加成物可用作监测职业人群接触诱变剂和／或致癌剂的有效指标，也可反映人体在代谢诱变剂。

致癌剂与DNA结合及其修复能力方面的个体差异。

化学物诱发的突变分为两大类：基因突变和染色体畸变。

基因突变是DNA分子水平上的改变，可分为碱基置换。移码、小缺失、插入和基因突变的表型效应。

染色体畸变包括染色体结构异常和数目异常，这些异常可出现在两条染色单体同一部位或仅涉及染色单体。结构畸变最根本原因是DNA断裂，至于倒位、易位、插入、重复等是断裂后重接引起继发性修复结果。数目异常象整倍性畸变和非整倍性畸变，前者可出现单倍体。

三倍体或四倍体。

非整倍性畸变可出现缺体、单体、三体或四体。若染色体数目异常发生在生殖细胞或受精卵早期卵裂中，染色体复制或行动异常可出现不分开，染色体遗失和核内复制。

突变在体细胞和生殖细胞的效应不完全相同，在生殖细胞更为敏感。

化学物可直接与DNA作用，也可间接作用于象纺缍体，中心粒和其它细胞器，从而干扰有丝分裂。Ashby等报道了化学物的一些结构活性(亲电子性)从而揭开了研究化学物结构与诱变性关系的新课题。有些化合物结构与碱基相似如Brdu与胸腺嘧啶相似，这些碱基类似物在DNA合成期中存在，与DNA中碱基竞争并取代其位置，从而掺入DNA分子中。

还有一些烷化剂，以烷化基团或整个烷化剂分子与DNA分子共价结合形成DNA加合物，或直接改变碱基结构，或以大分子结构嵌入DNA分子结构中，造成DNA链断裂或移码改变。Ashby等(1991)报导301种化合物结构与致癌性。

诱变性关系中发现芳香氨基／硝基类含有一个氮原子连在芳香环上，这可能是DNA主要反应部位即活性中心，如－NH₂、－NHAC、－N(OH)NO、－NO、－NHCH₃、－NHNH－、－NO₂、－N－N－、－NHOH等。还一种亲电子性的活性卤元素存在，这类化合物对DNA反应不需要代谢活化，如－CH₂CL、－CH₂Br、－NCH₂CH₂Cl。

环氧化物等。这两类化合物，诱变活性和致癌性高且对多种动物致癌。

无活性中心结构，无活性卤元素，即使可使动物致癌但无诱变性，特别在Ames试验中呈阴性。不直接作用于DNA的化学物如秋水仙碱，中止有丝分裂，出现异常纺缍体形成，出现核内复制等；或使染色体不浓缩和粘着，染色体提前凝缩等，而间接诱发染色体畸变。

化学物的分子结构特别是一些异构体存在，不仅改变生理状况和化学性质，而且也改变分子生物学反应，所以在测定诱变性时，要考虑化学物的分子结构。由于突变终点用来监测化学物的遗传毒性，但是有些物质并不是直接或间接造成DNA分子水平改变或损伤染色体，而是通过其它的毒性反应而致遗传毒性，如在细胞毒性剂量时，诱导细胞增殖、细胞复制、细胞转化或使组织中细胞死亡而产生一些酶改变或活性物质蓄积，如细胞毒性肝致癌物与肝中有关酶释放有关。

所以不能仅以对DNA损伤或染色体改变来观察。因此，确有一类称之为促诱变剂或促癌剂(统称促进剂)的物质存在如糖精等，那些非遗传性的致癌物都可归属此类，主要是通过影响机体的生物活性而起促进作用。

有些物质本身并不致癌，但反复多次染毒，使特异组织诱发突变，它的作用是可逆的、渐进的，一些细胞毒性物质，激素和免疫抑制剂等，都不是直接影响细胞的遗传物质即基因本身并未发生变化，而是基因调控和表达发生改变，使细胞分化异常。

化学物致机体的突变，可发生在体细胞，也可发生在生殖细胞。

发生在体细胞主要是致癌，也可致某些疾病象动脉硬化以及老化等。发生在生殖细胞，则遗传到下一代，可出现致死性和非致死性的改变。

非致死性的突变，可出现显性或隐性的遗传性疾病，所以在确定化学物的诱变活性时应注意不同靶细胞突变效应。

检测化学物的诱变性是通过不同的试验来观察突变过程中的某些现象即遗传终点。ICPEMC1983年重新提出，致突变试验可反映的遗传学终点分为5类：(1)DNA完整性改变(出现加合物、断裂、交联)。(2)DNA重排，(3)DNA碱基序列的改变，(4)染色体完整性的改变，(5)染色体分离的改变。

一个致突变试验只能反映1～2种遗传终点。因此，一种化学物用一种致突变试验来检测诱变性，特别是在结果为阴性的情况下并不可靠。所以，评价化学物的诱变性应选用一组不同遗传终点的短期试验。美国OTS(Office of Toxic Substances)推荐一组试验：

1．Ames试验首选：用四个菌株TA₉₇、TA₉₈、TA₁₀₀、TA₁₀₂但对含有组氨酸的体液或食品需经特殊处理才能检测。

鼠伤寒沙门氏菌阿拉伯糖抗性(Ara⁺)1株菌SV₅₀直接来检测醛类及氧化性诱变剂，所以也可作为初筛的首选方法。

2．体外哺乳细胞基因突变(正向突变)试验：常采用的细胞有小鼠淋巴瘤细胞L5187Y株；CHO细胞系、V细胞系，可检出几十个基因位点象HGPRT．TK．Na⁺／K⁺ATP酶和CHO AS₅₂株的XPRT位点等。

3．体内染色体反应试验：分析中期细胞染色体畸变和微核形成。可采用骨髓细胞或精细胞来进行观察，外周血淋巴细胞也可采用，但它是一个同步细胞群，且T．B淋巴细胞对诱变物反应强度不一，所以更适用于体外试验。

目前有人将SCE试验与染色体畸变分析结合起来，大大减少观察误差。

4．性腺DNA相互作用其它试验：睾丸细胞的UDS(非程序外DNA修复合成)。CA(染色体畸变)。SCE(姐妹染色单体互换)。

AET(碱基洗堤)等替代显性致死试验。其它致突变试验如小鼠可见特异位点。生物化学特殊位点，小鼠可遗传易位试验，DNA修复等都可选用。值得注意的是，发现许多疾病。

肿瘤与非整倍性有关，所以探索染色体非整倍性与肿瘤的发生和遗传疾病的关系日趋重要。

对一组试验如何判断它的结果，ICPEMC提出：“在任一能检出遗传学终点的生物试验系统中获阳性结果”的物质，可确定它为具有诱变性，但对阴性结果特别是体外试验的评价则要慎重，应考虑试验是否包括最大耐受量，有无活化系统。设立对照(阳性、阴性)是不合适，相同结果能否被重复。如果在五类遗传终点的一系列试验中均为阴性，才可确定为非遗传毒物。

同样，体外试验阳性结果在体内试验并非一定呈现同样结果，这可能由于体外缺乏解毒或排泄过程，体内试验不敏感，体外试验条件和体内条件不一致。如高渗性、高细胞毒性、有遗传毒性的代谢活化系统、非生理状况下H⁺浓度等可出现体外突变试验“假阳性”结果。其次，体外试验阴性，而体内试验阳性，因某些化学物对某些组织产生作用。化学物诱发突变发生在生殖细胞，可传递给下一代，引起遗传性疾病增加，所以在进行遗传危险评价时，应在筛选出阳性后，通过标准试验来观察是否有遗传危害。

美国EPA1984年提出小鼠特异位点试验和小鼠可遗传易位试验作为哺乳动物种系突变标准试验(MGst)。因为这两个试验都可反映可传递的基因突变和染色体损伤，都在子代中观察。

如何确定化学物进行MGst试验，这以诱变试验阳性结果评分高低来进行，高分者优先进行MGst、Russell 1984年提出评分原则是：(1)试验生物进化程度：哺乳动物＞其它高等真核生物＞低等真核生物＞原核生物，(2)染毒情况：体内＞体外，(3)靶细胞：生殖细胞＞体细胞，(4)观察终点：反映基因突变=反映染色体损伤的＞遗传学意见不明的，由此生殖细胞突变更为引起人们的重视。

随着技术发展和生物短测试验不断改进，除用生物短期筛选试验和一些补充试验外，穿梭质粒(如SV₄₀)。

聚合酶链反应技术(Pdymerase Chain Reaction PCR)发展，可为诱变研究提供方便。利用穿梭质粒可方便地把一个特定基因引入到遗传学上相距较远的两种生物细胞系内，详细研究其复制、降解、修饰、转录、表达和诱变等，有人设想将穿梭质粒携带的靶基因引入生殖细胞进行体内的遗传分析，基因治疗和突变研究，所以它将成为测定突变类型的一项有用的新技术。

PCR技术是Kary Mullis等建立的一种体外核酸扩增方法，利用PCR反应与限制性片段长度多态性(RELP)分析相结合来检测那些发生在酶切位点的点突变。对检测未知位点突变可直接用PCR技术直接测定核苷酸序列或将PCR产物进行克隆后测定。

由于PCR技术的高特异性，高效率，高灵敏度的特点，为今后在分子水平上阐明突变的发生及其后果提供了有力的实验手段。

(安徽省职业病防治所叶林、施荣山撰)