化学物诱变作用

化学物诱变作用是指化学物引起生物的遗传物质的突然的、根本的改变。如发生在生殖细胞则可遗传到下代；如发生在体细胞，则仅涉及这细胞的后衍，影响该个体。二十世纪初开展染色体的研究，通过观察染色体的数目和形态改变来研究染色体突变；近代分子生物学发展后，研究突变的重点转向基因突变。狭义的突变仅指基因突变，广义的突变则包括染色体畸变和基因突变。这里按后一范畴作介绍。
在生物繁衍过程中有一定比例的突变，这是生物进化的基础。这种原因未明的突变称为自发突变。环境中有许多理化因素能诱发突变。能诱发突变的因素统称诱变原。能够大幅度增加突变率者称为超诱变原。除辐射作用和少数化学物属直接诱变原外，大多数化学诱变原需要经过机体代谢活化，称为间接诱变原。此外，近年来还发现一些化学物，本身不引起突变，但可促使别的诱变原引起的突变频率成倍或数十倍地增加，称为促诱变原。
化学诱变原的作用原理还未完全阐明，可以是与染色体或DNA直接相互作用；也可以通过损及纺锤丝、中心体或干扰DNA修复及复制的酶系而间接地引发。
基因突变可分点突变和移码突变。点突变即碱基取代型突变，又可分为转换型和颠换型。
转换型突变是指DNA多核苷酸链上的碱基中嘌呤互相取代（鸟嘌呤置换腺嘌呤或相反）或嘧啶互相取代（胞嘧啶取代胸腺嘧啶或相反）所引起的突变。DNA转录时可引起一个RNA密码子的改变，在翻译时即可使多肽链中的一个氨基酸发生变更。如亚硝酸有脱氨基作用，能使胞嘧啶和腺嘌呤分别变为尿嘧啶和次黄嘌呤，从而引起转换突变。
颠换型突变是指DNA多核苷酸链的碱基中，嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤，结果也是多肽链中一个氨基酸的变更。一些烷化剂如二乙基亚硝胺等能引起颠换型突变。
移码型突变是指DNA多核苷酸链碱基序列中，丢失一个或几个碱基，或插入一个或几个诱变原分子。结果使突变位点以下的碱基序列发生更动，以致按三联密码转录和翻译时，发生较多遗传信息的改变。多环芳香烃类、芳香胺类和吖啶类化合物、黄曲霉毒素B1等都能引起插入型移码突变。
染色体畸变主要表现为染色体结构或数量的异常。
(1) 染色体数量变化： 正常的生殖细胞染色体为单倍体，体细胞为双倍体。在突变细胞中，染色体可以成整倍地发生变化，以致形成三倍体或四倍体，或染色体不成整倍地增减，即形成非整倍体，例如染色体数目超过二倍体，即为超二倍体，如少于二倍体，即为亚二倍体。
(2) 染色体结构变化： 在诱变因素作用下，染色体结构发生畸变的基本原因是断裂，即染色体断下一个片断，并因此出现以下情况：
❶缺失，即染色体的断片未与断裂端连接，因此失去一个片断及其所携带的遗传密码。
❷重复，即断片与同源染色体连接，使一部分遗传密码重复出现。
❸逆位，断片位置作180°倒转后，再接到断端上。
❹易位，两条非同源染色体同时发生断裂，两个断片交换位置后相接。
突变是生物进化的基础，只有通过突变才能发生生物性状的变异和传代。突变有其有利的一面，例如微生物、农作物、园林植物、禽、畜、鱼等的育种，就是通过定向突变及筛选，培育出性状更优良的新种。但是，环境污染物所引起的各种突变往往给人类健康带来威胁。虽然从理论推测，即使概率很小，也会出现有益的后果。但是由于无法鉴别，又不能控制，所以在毒理学中都认为这种诱变作用是一种损害性作用的表现。
据估计，高等生物细胞的DNA复制时，自发基因突变率为10^-4～10-⁷/生殖细胞/代，而人体每个细胞中所携带的基因数目为104～105，相当每代中有0.1个基因出现自发突变。
突变的基因绝大部分可以被DNA修补系统所修复。在DNA复制前进行修复，效果较好； 如在DNA复制后再行修补，则效果较差，并易出现“错误”。
由于蛋白质合成受基因指导，基因突变对蛋白质合成的影响有以下几种可能：
❶蛋白质合成未受干扰。因为有的氨基酸同时受几个三联密码所控制，如突变后所形成的三联密码仍能指导合成原本氨基酸，则所构成的蛋白质，其结构可不受影响。如按遗传密码翻译，则按UUA,UUG,CUU,CUC,CUG,CUA排列均为亮氨酸，按CGU,CGC,CGA,CGG,AGA,AGG排列均为精氨酸。如果突变引起的碱基改变发生在上述三联密码的第三个位置，最后的结果则不引起蛋白质结构变化。
❷蛋白质结构或组成发生变化，但不影响功能。由于基因突变后，发生相应变化的氨基酸在蛋白质分子结构上不占重要地位，故虽有变化，但不影响其功能。
❸蛋白质原有功能丧失。由于基因突变所涉及的氨基酸是蛋白质分子结构上的重要氨基酸，也可能由于移码突变，造成蛋白质分子中氨基酸成分的较大改变； 其后果可使突变基因所指导合成的蛋白质不再具备原有功能，严重时可致细胞死亡。
人体细胞所带有的基因都按一定位置固定地分布在23对染色体中，并组成一定的功能单位。基因转录过程受很多因素调控，其中也包括染色体本身的因素。因此，染色体的任何片断发生缺失、重复、逆位或易位，都可使染色体的结构和功能发生变化，并引起细胞功能紊乱，所以染色体畸变常伴有细胞功能的改变。
根据肿瘤发生的体细胞突变学说，认为肿瘤细胞是由体细胞突变而来的。但因目前无直接证据，未能最后肯定。根据实验研究结果，大部分(80～95%)致癌原是诱变原，但是诱变原中致癌原的百分率尚不详。
检测化学物诱变性能的方法很多，常用的方法如下。
1. 低等生物细胞诱变试验： 常采用噬菌体、细菌和真菌等作为诱变指示物。它们具有繁殖快、个体数量多以及容易观察检出等特点。这些方法较为敏感，检出率较高，试验时间短，费用也较低。但这些都是单细胞生物，与哺乳动物有较大的差别，例如核结构不同、DNA裸露而且数量少、分子小，对化学诱变原不能进行代谢活化或降解以及缺乏免疫系统等，都是不足之处。一般可用作初步筛检。如Ames试验，利用组氨酸缺陷型的鼠伤寒沙门菌突变株为测试指标菌，观察其在受试物作用下的回复突变为野生型的一种测试方法。野生型能合成组氨酸，可在低营养培养基 （不含或含极微量组氨酸） 上长成为菌落，便于计数。菌落数明显多于空白对照者即为阳性。由于可以把哺乳动物的肝细胞微粒体及受氢体系统一并掺入培养基，使测试管在体外受到与活体内类似的氧化活化作用，故可测试出间接诱变原。此法的最大特点是检测结果与动物致癌性有90%的相符率，其假阳性率和假阴性率均为10%左右，是较好的化学诱变作用试验方法，可供致癌原快速初筛之用。
2. 哺乳动物细胞培养试验： 有许多哺乳动物细胞株可供诱变作用试验之用。其观察指标是：
❶形态学变化（观察形态改变或染色体畸变）。
❷生化变化。例如对次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶和胸苷激活酶活力的变异。
❸性状变化（在培养基上成堆生长）。本试验取材于哺乳动物或人体，在一定程度上能反映哺乳动物的实际情况，缺点是试验离开整体动物在试管内进行，一般较易诱发突变。较常用的方法有外周血淋巴细胞培养观察染色体畸变、姐妹染色单体交换试验(SCE)和细胞恶变转化试验等。SCE是指在对等染色单体中的某一段进行互换，仅部位改变而非本质变化，故不属突变。其机理未明，可能是在DNA修复到染色体片断连接之间遭到损害。有少量自发产生，但突变原常引起SCE，故可移作检测诱变原，间接初筛诱变性致癌原。
3. 整体动物试验： 比较符合活体的实际情况，但有时不够灵敏，而且试验时间长，工作量较大。目前常用者有以下几种：
(1) 显性致死突变试验： 哺乳动物的生殖细胞如精子发生突变后，失去结成合子的能力，不能使卵受孕，或使受精卵在着床前死亡和胚胎早期死亡。后者是显性致死突变的后果。一般多将雄性大鼠或小鼠接触受检物后，依次分别与8批雌鼠交配，每周一批，然后在分娩前剖腹检查胚胎死亡情况并计算雌鼠受孕率、着床率、突变指数和早期胚胎死亡率。本法用哺乳动物直接进行，观察指标容易掌握，但缺点是只有在严重突变时才能引起胚胎死亡，因此不够灵敏，而且只限于观察生殖细胞。目前常利用果蝇来测试，果蝇仅有染色体4对，故测试简易快速，特别是对于隐性致死效应，只有用此法可以检测。
(2) 宿主间介试验： 一般用大鼠进行，先将受检化学物给予动物，经代谢活化后，再将指示微生物注入动物腹腔，与之接触。常用指示微生物为G46株组氨酸缺陷型鼠伤寒沙门菌。最后取出微生物进行培养，观察其突变情况。本法优点是受检化学物在哺乳动物体内经代谢活化，可检出间接诱变原。但缺点是指示微生物在动物体内的自然突变率较高，微生物的存活率亦受到影响。
(3) 哺乳动物染色体畸变分析： 常用大鼠、小鼠或中国地鼠的骨髓细胞、肝细胞或精原细胞作分裂中期染色体分析。但操作繁琐，又不够灵敏。目前多使用哺乳动物细胞株代替整体动物在体外进行。
(4) 微核测定： 微核是染色体断裂碎片在分裂间期留在子代细胞内形成的小块物质。微核也可能由于细胞分裂时纺锤丝受损所致。微核测定方法简便，但由于所用骨髓细胞中缺乏代谢活化酶系，对间接诱变物反应较差，使用受到限制。
化学诱变原很多，常见的天然存在的有： 黄曲霉毒素、岛青霉毒素、棕曲霉毒素、杂色曲霉毒素、双稠吡咯碱、苏铁素、多环芳烃、亚硝酸盐和亚硝胺类化合物等。人工合成的化合物中的诱变物有芥子气、卤代烃类 （如氯乙烯）、卤醚、多氯联苯、多溴联苯、丙烯腈、环氧乙烷、甲基磺酸甲酯、甲基磺酸乙酯、乙烯亚胺、和抗癌药物环磷酰胺、氨苯喋啶、噻𠾱哌、硝基呋喃、糠醛酰呋喃等。 工业毒物中还有六价铬盐、有机汞、氮氧化物，及芳香胺类化合物：奶油黄、乙酰氨基芴、联苯胺等。