遺伝毒性

遺伝学では、 遺伝毒性とは細胞内の遺伝情報を損傷し、がんを引き起こす可能性のある突然変異を引き起こす化学物質の特性を指します。遺伝毒性はしばしば変異原性と混同されますが、すべての変異原性は遺伝毒性ですが、すべての遺伝毒性物質が変異原性があるわけではありません。変化は、DNAに直接または間接的な影響を与える可能性があります：突然変異の誘発、イベントの活性化のタイミングのずれ、突然変異につながる直接のDNA損傷。永続的で遺伝性の変化は、生物の体細胞または生殖細胞に影響を与え、将来の世代に受け継がれます。細胞はDNA修復またはアポトーシスのいずれかによって遺伝毒性突然変異の発現を防ぎます。ただし、損傷が常に修正されて突然変異誘発に至るとは限りません。

遺伝毒性分子を分析するために、研究者は毒性基質にさらされた細胞のDNA損傷を分析します。このDNA損傷は、一本鎖および二本鎖切断、切除修復の喪失、架橋、アルカリ不安定部位、点突然変異、および構造的および数値的染色体異常の形をとることがあります。遺伝物質の完全性の低下は、がんを引き起こすことが知られています。その結果、癌につながる可能性のあるDNA損傷を引き起こす化学物質の可能性を評価するために、Amesアッセイ、 in vitroおよびin vivo毒性試験、Cometアッセイを含む多くの高度な技術が開発されました。

メカニズム

遺伝毒性物質は、DNA配列および構造との相互作用により、細胞内の遺伝物質への損傷を誘発します。たとえば、遷移金属クロムは、その高原子価酸化状態でDNAと相互作用するため、発癌につながるDNA病変が生じます。準安定酸化状態Cr（V）は、還元活性化によって達成されます。研究者は、特定の酸化状態でCr（V）-Salen錯体を使用することにより、DNAと発がん性クロムとの相互作用を調べる実験を行いました。相互作用は、遺伝子配列のグアニンヌクレオチドに特異的でした。 Cr（V）-Salen錯体とグアニン塩基との相互作用を狭めるために、研究者は塩基を8-oxo-Gに変更して、部位特異的酸化を持たせました。 2つの分子間の反応によりDNA損傷が発生しました。修飾されたベース部位で観察された2つの病変は、グアニジノヒダントインとスピロイミノジヒダントインでした。病変部位をさらに分析するために、その部位でポリメラーゼが停止し、8-オキソ-G塩基の反対側のDNA配列にアデニンが不適切に組み込まれていることが観察されました。したがって、これらの病変には主にG-> T転換が含まれています。高価クロムは、研究者は、高価クロムとDNAとの相互作用のための損傷とベース酸化物のメカニズムが...で、がんにつながるDNA損傷のin vivoでの形成に関連している」ことがわかったとして発がん性物質として機能するように見られていますクロメートに暴露されたヒト集団」。その結果、高原子価クロムが生体異物を形成する8-オキソ-Gと共に発癌物質としてどのように機能するかを示しています。

DNA損傷を引き起こす遺伝毒性物質のもう1つの例は、ピロリジジンアルカロイド（PA）です。これらの物質は主に植物種に含まれており、人間を含む動物に有毒です。それらの約半数は遺伝毒性と同定され、多くは腫瘍形成性と同定されています。研究者らは、代謝的に活性化されると、「PAはDNA付加物、DNA架橋、DNA切断、姉妹染色分体交換、小核、染色体異常、遺伝子突然変異、およびin vivoおよびin vitroの染色体突然変異を生じる」と結論付けました。遺伝子内の最も一般的な変異は、G：C-> T：A変換およびタンデム塩基置換です。ピロリジジンアルカロイドは、in vivoおよびin vitroで変異原性があり、したがって、肝臓での発がん性の原因となります。コンフリーは、14種類のPAを含む植物種の例です。活性代謝物はDNAと相互作用して、肝臓内皮細胞および肝細胞でDNA損傷、突然変異誘発、および癌の発生を引き起こします。研究者たちは最後に、「コンフリーは肝臓で変異原性があり、コンフリーに含まれるPAがコンフリー誘発毒性と腫瘍誘発の原因であるようだ」と発見しました。

テストテクニック

遺伝毒性試験の目的は、基質が遺伝物質に影響を与えるか、癌を引き起こす可能性があるかどうかを判断することです。それらは、細菌、酵母、および哺乳類の細胞で実行できます。試験から得られた知識により、遺伝毒性物質に対する脆弱な生物の初期の発達を制御できます。

細菌逆突然変異アッセイ

Ames Assayとしても知られるBacterial Reverse Mutation Assayは、実験室で遺伝子突然変異をテストするために使用されます。この手法では、遺伝物質のさまざまな変化を比較するために、多くの異なる細菌株を使用します。テストの結果は、遺伝毒性発がん物質と遺伝的変化の大部分を検出します。検出される突然変異のタイプは、フレームシフトと塩基置換です。

in vitro毒性試験

in vitro試験の目的は、基質、製品、または環境要因が遺伝的損傷を誘発するかどうかを判断することです。 1つの手法では、異なる哺乳類細胞を使用した細胞遺伝学的アッセイを行います。遺伝毒性物質の影響を受ける細胞で検出される異常の種類は、染色分体および染色体ギャップ、染色体切断、染色分体欠失、断片化、転座、複雑な再配列などです。遺伝毒性損傷による染色体異常または異数性の影響により、遺伝物質の構造的または数値的異常の頻度が増加します。これは、哺乳類細胞の構造的および数値的染色体異常を検出する小核試験および染色体異常アッセイに類似しています。

特定の哺乳類組織では、マウスリンパ腫TK +/-アッセイを実行して、遺伝物質の変化をテストできます。遺伝子変異は一般に点変異であり、遺伝子配列内の1つの塩基のみを変更して、その後の転写産物とアミノ酸配列を変更します。これらの点突然変異には、塩基の置換、削除、フレームシフト、および再配置が含まれます。また、染色体の完全性は、染色体の損失と染色体異常病変により変化し、複数の遺伝子と多遺伝子座の欠失を引き起こします。特定のタイプの損傷はコロニーのサイズによって決まり、遺伝的変異（変異原）と染色体異常（染色体異常誘発物質）を区別します。

SOS / umuアッセイテストでは、物質がDNA損傷を誘発する能力を評価します。これは、DNA損傷によるSOS応答の誘導の変化に基づいています。この手法の利点は、高速でシンプルな方法であり、多くの物質にとって便利であることです。これらの技術は、環境内の水と廃水で実行されます。

生体内試験

生体内試験の目的は、染色体構造に影響を与えたり、染色体数を変える有糸分裂装置を乱したりする可能性のあるDNA損傷の可能性を判断することです。遺伝毒性に影響を与える可能性のある要因は、ADMEおよびDNA修復です。また、in vitro試験で見逃した遺伝毒性物質も検出できます。誘発された染色体損傷の肯定的な結果は、微小核化されたPCEの頻度の増加です。小核は、有糸分裂中に娘細胞に取り込まれなかったDNA断片または染色体全体から生じる核DNAを含む核とは別の小さな構造です。この構造の原因は、アセントリック染色体断片の有糸分裂の損失（染色体異常誘発性）、染色体の破壊と交換による機械的問題、染色体の有糸分裂の損失（異数性）、およびアポトーシスです。 in vivoの小核試験は 、哺乳類細胞、特にラットの血液細胞の構造的および数値的な染色体異常を試験するため、in vitroの試験と似ています。

コメットアッセイ

コメットアッセイは、遺伝毒性の最も一般的なテストの1つです。この手法では、界面活性剤と塩を使用して細胞を溶解します。溶解した細胞から放出されたDNAは、中性pH条件下でアガロースゲルで電気泳動されます。二本鎖切断の数が増加したDNAを含む細胞は、より迅速にアノードに移動します。この手法は、低レベルのDNA損傷を検出し、必要な細胞数が非常に少なく、多くの手法よりも安価で、実行が簡単で、結果をすばやく表示できるという利点があります。ただし、遺伝毒性効果の根底にあるメカニズムや、破損を引き起こす正確な化学物質または化学成分は特定されません。

癌

損傷がすぐに細胞死につながらない場合、欠失、破壊、および/または再編成などの遺伝毒性の影響は、癌を引き起こす可能性があります。壊れやすいサイトと呼ばれる破損に敏感な領域は、遺伝毒性物質（農薬など）に起因する可能性があります。一部の化学物質は、癌遺伝子が存在する染色体の領域に脆弱な部位を誘導する能力があり、発がん性の影響を引き起こす可能性があります。この発見に沿って、農薬の混合物への職業的曝露は、曝露した個人の遺伝毒性損傷の増加と正の相関があります。 DNA損傷は、遺伝毒性物質を活性化または解毒する能力が個人によって異なるため、集団間でその重症度が均一ではなく、個人間の癌の発生率にばらつきが生じます。特定の化合物を解毒する能力の違いは、化学物質の代謝に関与する遺伝子の個人の遺伝的多型によるものです。違いは、DNA修復メカニズムの効率の個人差にも起因する可能性があります

一部の化学物質の代謝により、活性酸素種が生成されますが、これは遺伝毒性の可能なメカニズムです。これは、ヒ素の代謝で見られます。ヒ素はヒドロキシルラジカルを生成し、遺伝毒性効果を引き起こすことが知られています。同様に、ROSは粒子や繊維によって引き起こされる遺伝毒性に関係している。非繊維性および繊維性粒子の遺伝毒性は、炎症細胞からのROSの高い産生によって特徴付けられます。

遺伝毒性化学療法

遺伝毒性化学療法は、1つ以上の遺伝毒性薬物を使用したがんの治療です。治療は伝統的に標準化された制度の一部です。ジェノトキシン治療の破壊的特性を利用することにより、癌細胞へのDNA損傷を誘発することを目指しています。がんに加えられた損傷は、増殖が進むにつれて下層のがん細胞に伝えられます。この損傷がひどい場合、細胞はアポトーシスを起こします。

治療の欠点は、多くの遺伝毒性薬が癌細胞にも正常細胞にも同様に有効であることです。特定の薬物の作用の選択性は、細胞自体の感度に基づいています。そのため、急速に分裂する癌細胞は多くの薬物治療に特に敏感ですが、多くの場合、正常に機能する細胞が影響を受けます。

治療の別のリスクは、遺伝毒性であることに加えて、薬物の多くが変異原性および細胞毒性であるということです。したがって、これらの薬の効果はDNA損傷だけに限定されません。さらに、がんの治療を目的とするこれらの薬物の一部は発がん物質そのものでもあり、白血病などの二次がんのリスクを高めます。

次の表は、遺伝毒性に基づいたさまざまながん治療と例を示しています。