ความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมและการก่อกลายพันธุ์

ความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม (genotoxicity) คือความสามารถของสารเคมีในการทำลายสารพันธุกรรม และการก่อกลายพันธุ์ (mutagenicity) คือความสามารถในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ถ่ายทอดได้ในลำดับหรือโครงสร้างของ DNA สารเคมีที่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม — ไม่ว่าจะโดยตรงหรือหลังจากการกระตุ้นทางเมแทบอลิซึม — จะสร้าง DNA adducts, ทำให้เกิดการแตกหักของสาย DNA, หรือออกซิไดซ์เบส; หากความเสียหายนี้ไม่ได้รับการซ่อมแซมและถูกบันทึกไว้ในระหว่างการจำลองแบบ ก็จะกลายเป็นการกลายพันธุ์ ซึ่งเป็นเหตุการณ์สำคัญในช่วงต้นของการเกิดมะเร็ง

Definition

ความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมคือความเสียหายต่อ DNA และโครโมโซมที่เกิดจากสารเคมี; การก่อกลายพันธุ์คือส่วนย่อยของความเสียหายดังกล่าวที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่คงที่และถ่ายทอดได้ของจีโนม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่สารเคมีทำลาย DNA, วิธีที่ความเสียหายถูกเปลี่ยนเป็นการกลายพันธุ์, และการทดสอบหลักที่ใช้ในการตรวจหาศักยภาพในการเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมและการก่อกลายพันธุ์ เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงกลไกและระเบียบวิธีภายในพิษวิทยาเคมี และไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• สารพิษทำลาย DNA ด้วยกลไกทางเคมีใดบ้าง?
• ความเสียหายของ DNA ถูกเปลี่ยนเป็นการกลายพันธุ์ที่คงที่ได้อย่างไร และการซ่อมแซมมีบทบาทอย่างไร?
• การทดสอบใดที่ใช้แยกแยะสารเคมีที่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมออกจากสารเคมีที่ไม่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม?
• ความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมเกี่ยวข้องกับกระบวนการหลายขั้นตอนของการเกิดมะเร็งอย่างไร?

Key concepts

• DNA adducts และการจับกันด้วยพันธะโควาเลนต์
• รอยโรค DNA ที่เกิดจากการออกซิเดชัน (เช่น 8-ออกโซกัวนีน)
• การกลายพันธุ์แบบจุด และความผิดปกติของโครโมโซม
• การซ่อมแซม DNA และการบันทึกรอยโรค
• การทดสอบเอมส์ (Ames test) และการกลายพันธุ์ย้อนกลับในแบคทีเรีย
• การทดสอบโคเมท (Comet assay) และการทดสอบไมโครนิวเคลียส (micronucleus test)
• สารก่อมะเร็งที่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม เทียบกับ สารก่อมะเร็งที่ไม่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม

Key theories

เส้นทางจาก adduct สู่การกลายพันธุ์

สารเคมีที่มีปฏิกิริยาและสารเมแทบอไลต์ของมันสร้าง DNA adducts แบบโควาเลนต์ หรือออกซิไดซ์เบส; หากไม่ได้รับการซ่อมแซม รอยโรคเหล่านี้จะทำให้เกิดการจับคู่ผิดพลาดในระหว่างการจำลองแบบ ทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่สามารถเริ่มต้นการเกิดมะเร็งได้

ความเสียหายของ DNA จากการออกซิเดชันในฐานะกลไกการก่อกลายพันธุ์

สารออกซิแดนท์สร้างรอยโรคที่เบส เช่น 8-ออกโซกัวนีน ซึ่งจับคู่ผิดพลาดในระหว่างการจำลองแบบ เชื่อมโยงความเครียดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันและการสัมผัสโลหะกับการกลายพันธุ์และการเกิดมะเร็ง

Mechanisms

ความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมเริ่มต้นเมื่อสารเคมีที่มีปฏิกิริยา ซึ่งมักจะเกิดขึ้นหลังจากการกระตุ้นทางเมแทบอลิซึม ทำปฏิกิริยากับ DNA สารเมแทบอไลต์ชนิดอิเล็กโทรฟิลิกจะสร้างพันธะโควาเลนต์ (covalent adducts) บนเบสของ DNA; สารออกซิแดนท์ (reactive oxygen species) จะออกซิไดซ์เบสและโครงสร้างน้ำตาล-ฟอสเฟต ทำให้เกิดรอยโรค เช่น 8-ออกโซกัวนีน (8-oxoguanine) และการแตกหักของสาย DNA เซลล์จะใช้ระบบซ่อมแซม — การตัดเบสออก (base-excision), การตัดนิวคลีโอไทด์ออก (nucleotide-excision), และอื่นๆ — เพื่อกำจัดรอยโรคเหล่านี้ แต่หากความเสียหายยังคงอยู่จนถึงระยะ S phase ก็อาจทำให้เกิดการจับคู่ผิดพลาด และเมื่อมีการจำลองแบบ ก็จะกลายเป็นการกลายพันธุ์ที่คงที่ การกลายพันธุ์ดังกล่าวในยีนก่อมะเร็ง (oncogenes) และยีนยับยั้งเนื้องอก (tumour-suppressor genes) เป็นขั้นตอนแรกๆ ในการเกิดมะเร็ง พิษวิทยาสารพันธุกรรมจะประเมินศักยภาพนี้ด้วยชุดการทดสอบ: การทดสอบการกลายพันธุ์ย้อนกลับในแบคทีเรีย (Ames test) สำหรับการกลายพันธุ์แบบจุด (point mutations), การทดสอบโคเมท (comet assay) สำหรับการแตกหักของสาย DNA, และการทดสอบไมโครนิวเคลียส (micronucleus test) สำหรับความเสียหายของโครโมโซม มีการแบ่งแยกในทางปฏิบัติระหว่างสารก่อมะเร็งที่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม (genotoxic carcinogens) ซึ่งออกฤทธิ์โดยการทำลาย DNA โดยตรง และสารก่อมะเร็งที่ไม่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม (non-genotoxic carcinogens) ซึ่งส่งเสริมการเกิดมะเร็งผ่านกลไกอื่น

Clinical relevance

การประเมินความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมเป็นสิ่งสำคัญในการประเมินอันตรายจากสารก่อมะเร็งของยา, ส่วนประกอบในอาหาร, และสารเคมีในสิ่งแวดล้อม กลไกและการทดสอบที่อธิบายไว้ในที่นี้สนับสนุนความเข้าใจและการศึกษาอันตราย; ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

กลไกที่สรุปไว้ในที่นี้มีพื้นฐานมาจากการทบทวนความเสียหายของ DNA และวิธีการทางพิษวิทยาสารพันธุกรรมที่เป็นมาตรฐาน การทดสอบความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมตามข้อกำหนดมีการปฏิบัติตามแนวทางการทดสอบที่สอดคล้องกันในระดับสากล; ข้อมูลนี้สื่อถึงความเข้าใจเชิงกลไกมากกว่าการนำเสนอขั้นตอนตามแนวทางเฉพาะเหล่านั้น

History

พิษวิทยาสารพันธุกรรมเริ่มเป็นรูปเป็นร่างจากการตระหนักว่าการกลายพันธุ์เป็นพื้นฐานของการเกิดมะเร็ง การนำการทดสอบการกลายพันธุ์ในแบคทีเรียโดย Bruce Ames ในทศวรรษ 1970 ได้ให้การคัดกรองอย่างรวดเร็วที่เชื่อมโยงการก่อกลายพันธุ์ของสารเคมีกับศักยภาพในการก่อมะเร็ง ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาในสาขานี้ งานวิจัยในภายหลังได้ระบุลักษณะของ DNA adducts, รอยโรค DNA ที่เกิดจากการออกซิเดชัน, และชุดการทดสอบทั้งในหลอดทดลองและในสิ่งมีชีวิตที่กว้างขวางขึ้นสำหรับการตรวจหาอันตรายจากความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม

Debates

มีเกณฑ์สำหรับสารก่อมะเร็งที่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมหรือไม่?

การที่สารก่อมะเร็งที่มีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมออกฤทธิ์โดยไม่มีเกณฑ์ ซึ่งหมายถึงความเสี่ยงในทุกปริมาณ หรือการที่การซ่อมแซม DNA สร้างเกณฑ์ในทางปฏิบัติ ยังคงเป็นคำถามที่ถกเถียงกันซึ่งมีนัยสำคัญต่อการประเมินความเสี่ยง

Key figures

• Bruce Ames
• Marcus S. Cooke
• F. Peter Guengerich

Seminal works

• cooke-2003
• valko-2006
• guengerich-2008

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมและการก่อกลายพันธุ์คืออะไร?

ความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมคือความเสียหายใดๆ ต่อ DNA หรือโครโมโซมที่เกิดจากสารเคมี; การก่อกลายพันธุ์เป็นคุณสมบัติที่แคบกว่าของการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่คงที่และถ่ายทอดได้ในลำดับ DNA สารก่อกลายพันธุ์ทั้งหมดมีความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม แต่ความเสียหายจากความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมทั้งหมดไม่ได้กลายเป็นการกลายพันธุ์ที่คงที่

มีการทดสอบความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรมอย่างไร?

มีการใช้ชุดการทดสอบหลายอย่าง รวมถึงการทดสอบเอมส์ในแบคทีเรียสำหรับการกลายพันธุ์ของยีน, การทดสอบโคเมทสำหรับการแตกหักของสาย DNA, และการทดสอบไมโครนิวเคลียสสำหรับความเสียหายของโครโมโซม