Die genetische Toxikologie ist per Definition die Untersuchung, wie chemische oder physikalische Wirkstoffe den komplizierten Prozess der Vererbung beeinflussen. Genotoxische Chemikalien werden als Verbindungen definiert, die in der Lage sind, das Erbmaterial lebender Zellen zu verändern. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Chemikalie genetische Schäden verursacht, hängt zwangsläufig von mehreren Variablen ab, einschließlich der Exposition des Organismus gegenüber der Chemikalie, der Verteilung und Retention der Chemikalie, sobald sie in den Körper gelangt, der Effizienz der Stoffwechselaktivierung und/oder der Entgiftungssysteme Zielgewebe und die Reaktivität der Chemikalie oder ihrer Metaboliten mit kritischen Makromolekülen in Zellen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein genetischer Schaden eine Krankheit verursacht, hängt letztendlich von der Art des Schadens, der Fähigkeit der Zelle, den genetischen Schaden zu reparieren oder zu verstärken, der Möglichkeit, die hervorgerufene Veränderung auszudrücken, und der Fähigkeit des Körpers ab, die Vermehrung zu erkennen und zu unterdrücken abweichende Zellen.
In höheren Organismen ist die Erbinformation in Chromosomen organisiert. Chromosomen bestehen aus eng kondensierten Strängen proteinassoziierter DNA. Innerhalb eines einzelnen Chromosoms existiert jedes DNA-Molekül als Paar langer, unverzweigter Ketten von Nukleotid-Untereinheiten, die durch Phosphodiester-Bindungen miteinander verbunden sind, die das 5-Kohlenstoffatom einer Desoxyribose-Einheit mit dem 3-Kohlenstoffatom des nächsten verbinden (Abbildung 1). Außerdem hängt an jeder Desoxyribose-Untereinheit eine von vier verschiedenen Nukleotidbasen (Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin) wie Perlen an einer Schnur. Dreidimensional bildet jedes Paar DNA-Stränge eine Doppelhelix, wobei alle Basen zum Inneren der Spirale ausgerichtet sind. Innerhalb der Helix ist jede Base mit ihrer komplementären Base auf dem gegenüberliegenden DNA-Strang verbunden; Wasserstoffbrückenbindungen diktieren eine starke, nichtkovalente Paarung von Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin (Abbildung 1). Da die Sequenz der Nukleotidbasen über die gesamte Länge des Duplex-DNA-Moleküls komplementär ist, tragen beide Stränge im Wesentlichen die gleiche genetische Information. Tatsächlich dient während der DNA-Replikation jeder Strang als Matrize für die Produktion eines neuen Partnerstrangs.
Abbildung 1. Die (a) primäre, (b) sekundäre und (c) tertiäre Organisation menschlicher Erbinformationen
Unter Verwendung von RNA und einer Reihe verschiedener Proteine entschlüsselt die Zelle letztendlich die Informationen, die durch die lineare Abfolge von Basen innerhalb spezifischer DNA-Regionen (Gene) codiert sind, und produziert Proteine, die für das grundlegende Überleben der Zelle sowie für normales Wachstum und Differenzierung unerlässlich sind. Im Wesentlichen funktionieren die Nukleotide wie ein biologisches Alphabet, das zur Codierung von Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen, verwendet wird.
Wenn falsche Nukleotide eingefügt werden oder Nukleotide verloren gehen oder wenn während der DNA-Synthese unnötige Nukleotide hinzugefügt werden, wird der Fehler als Mutation bezeichnet. Es wurde geschätzt, dass weniger als eine Mutation auf 10 auftritt9 Nukleotide, die während der normalen Replikation von Zellen eingebaut werden. Obwohl Mutationen nicht unbedingt schädlich sind, können Veränderungen, die eine Inaktivierung oder Überexpression wichtiger Gene verursachen, zu einer Vielzahl von Erkrankungen führen, darunter Krebs, Erbkrankheiten, Entwicklungsstörungen, Unfruchtbarkeit und embryonaler oder perinataler Tod. Sehr selten kann eine Mutation zu einem verbesserten Überleben führen; Solche Vorkommnisse sind die Grundlage der natürlichen Auslese.
Obwohl einige Chemikalien direkt mit DNA reagieren, erfordern die meisten eine metabolische Aktivierung. Im letzteren Fall sind letztlich elektrophile Zwischenprodukte wie Epoxide oder Carboniumionen für die Induktion von Läsionen an verschiedenen nukleophilen Stellen innerhalb des genetischen Materials verantwortlich (Abbildung 2). In anderen Fällen wird die Genotoxizität durch Nebenprodukte der Wechselwirkung von Verbindungen mit intrazellulären Lipiden, Proteinen oder Sauerstoff vermittelt.
Abbildung 2. Bioaktivierung von: a) Benzo(a)pyren; und b) N-Nitrosodimethylamin
Aufgrund ihrer relativen Häufigkeit in Zellen sind Proteine das häufigste Ziel von toxischen Wechselwirkungen. Die Modifikation der DNA ist jedoch aufgrund der zentralen Rolle dieses Moleküls bei der Regulierung des Wachstums und der Differenzierung über mehrere Generationen von Zellen von größerer Bedeutung.
Auf molekularer Ebene neigen elektrophile Verbindungen dazu, Sauerstoff und Stickstoff in der DNA anzugreifen. Die Stellen, die am anfälligsten für Modifikationen sind, sind in Abbildung 3 dargestellt. Obwohl Sauerstoffatome innerhalb von Phosphatgruppen im DNA-Rückgrat ebenfalls Ziele für chemische Modifikationen sind, wird angenommen, dass eine Schädigung von Basen biologisch relevanter ist, da diese Gruppen als die primäre Informationsquelle angesehen werden Elemente im DNA-Molekül.
Abbildung 3. Primärstellen chemisch induzierter DNA-Schäden
Verbindungen, die eine elektrophile Einheit enthalten, üben typischerweise Genotoxizität aus, indem sie Monoaddukte in DNA erzeugen. In ähnlicher Weise können Verbindungen, die zwei oder mehr reaktive Einheiten enthalten, mit zwei verschiedenen nukleophilen Zentren reagieren und dadurch intra- oder intermolekulare Vernetzungen im genetischen Material erzeugen (Abbildung 4). DNA-DNA- und DNA-Protein-Crosslinks zwischen den Strängen können besonders zytotoxisch sein, da sie vollständige Blöcke für die DNA-Replikation bilden können. Aus offensichtlichen Gründen eliminiert der Tod einer Zelle die Möglichkeit, dass sie mutiert oder neoplastisch transformiert wird. Genotoxische Mittel können auch wirken, indem sie Brüche im Phosphodiester-Rückgrat oder zwischen Basen und Zuckern (die abasische Stellen erzeugen) in der DNA induzieren. Solche Brüche können ein direktes Ergebnis chemischer Reaktivität an der Schadensstelle sein oder können während der Reparatur einer der oben erwähnten Arten von DNA-Läsion auftreten.
Abbildung 4. Verschiedene Arten von Schäden am Protein-DNA-Komplex
In den letzten dreißig bis vierzig Jahren wurde eine Vielzahl von Techniken entwickelt, um die Art der genetischen Schädigung zu überwachen, die durch verschiedene Chemikalien hervorgerufen wird. Solche Assays werden an anderer Stelle in diesem Kapitel und ausführlich beschrieben Enzyklopädie.
Die Fehlreplikation von „Mikroläsionen“ wie Monoaddukten, abasischen Stellen oder Einzelstrangbrüchen kann letztendlich zu Nukleotidbasenpaarsubstitutionen oder der Insertion oder Deletion kurzer Polynukleotidfragmente in chromosomaler DNA führen. Im Gegensatz dazu können „Makroläsionen“ wie sperrige Addukte, Quervernetzungen oder Doppelstrangbrüche den Gewinn, Verlust oder die Neuanordnung relativ großer Chromosomenstücke auslösen. In jedem Fall können die Folgen für den Organismus verheerend sein, da jedes dieser Ereignisse zu Zelltod, Funktionsverlust oder bösartiger Transformation von Zellen führen kann. Wie genau DNA-Schäden Krebs verursachen, ist weitgehend unbekannt. Es wird derzeit angenommen, dass der Prozess eine unangemessene Aktivierung von Proto-Onkogenen beinhalten kann, wie z myc und rasund/oder Inaktivierung kürzlich identifizierter Tumorsuppressorgene wie p53. Eine anormale Expression beider Gentypen setzt normale zelluläre Mechanismen zur Kontrolle der Zellproliferation und/oder -differenzierung außer Kraft.
Die überwiegende Anzahl experimenteller Beweise weist darauf hin, dass die Entwicklung von Krebs nach Exposition gegenüber elektrophilen Verbindungen ein relativ seltenes Ereignis ist. Dies kann teilweise durch die intrinsische Fähigkeit der Zelle erklärt werden, beschädigte DNA zu erkennen und zu reparieren, oder durch das Versagen von Zellen mit beschädigter DNA zu überleben. Während der Reparatur wird die beschädigte Base, das Nukleotid oder der kurze Nukleotidabschnitt, der die beschädigte Stelle umgibt, entfernt und (unter Verwendung des gegenüberliegenden Strangs als Vorlage) wird ein neues DNA-Stück synthetisiert und an Ort und Stelle gespleißt. Um effektiv zu sein, muss die DNA-Reparatur mit großer Genauigkeit vor der Zellteilung erfolgen, bevor Gelegenheiten für die Ausbreitung von Mutationen bestehen.
Klinische Studien haben gezeigt, dass Menschen mit angeborenen Defekten in der Fähigkeit, beschädigte DNA zu reparieren, häufig in einem frühen Alter an Krebs und/oder Entwicklungsanomalien erkranken (Tabelle 1). Solche Beispiele liefern starke Beweise dafür, dass die Akkumulation von DNA-Schäden mit menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht wird. In ähnlicher Weise fördern Wirkstoffe, die die Zellproliferation fördern (wie Tetradecanoylphorbolacetat), häufig die Karzinogenese. Bei diesen Verbindungen kann die erhöhte Wahrscheinlichkeit einer neoplastischen Transformation eine direkte Folge einer Verringerung der Zeit sein, die der Zelle zur Durchführung einer angemessenen DNA-Reparatur zur Verfügung steht.
Tabelle 1. Erbliche, krebsanfällige Erkrankungen, die Defekte in der DNA-Reparatur zu beinhalten scheinen
| Syndrom | Symptome | Zellulärer Phänotyp |
| Ataxie teleangiektasie | Neurologische Verschlechterung Immunschwäche Hohe Inzidenz von Lymphomen |
Überempfindlichkeit gegen ionisierende Strahlung und bestimmte Alkylierungsmittel. Dysregulierte Replikation beschädigter DNA (kann auf eine verkürzte Zeit für die DNA-Reparatur hinweisen) |
| Bloom-Syndrom | Entwicklungsstörungen Läsionen auf exponierter Haut Hohe Inzidenz von Tumoren des Immunsystems und des Magen-Darm-Trakts |
Hohe Häufigkeit von Chromosomenaberrationen Defekte Ligation von Brüchen im Zusammenhang mit der DNA-Reparatur |
| Fanconis Anämie | Wachstumsverzögerung Hohe Inzidenz von Leukämie |
Überempfindlichkeit gegen Vernetzungsmittel Hohe Häufigkeit von Chromosomenaberrationen Defekte Reparatur von Quervernetzungen in DNA |
| Erblicher Dickdarmkrebs ohne Polyposis | Hohe Inzidenz von Dickdarmkrebs | Defekt in der DNA-Mismatch-Reparatur (wenn während der Replikation ein falsches Nukleotid eingefügt wird) |
| Mondscheinkrankheit | Hohe Inzidenz von Epitheliomen auf exponierten Hautbereichen Neurologische Beeinträchtigung (in vielen Fällen) |
Überempfindlichkeit gegen UV-Licht und viele chemische Karzinogene Defekte bei der Exzisionsreparatur und/oder Replikation beschädigter DNA |
Die frühesten Theorien darüber, wie Chemikalien mit DNA interagieren, lassen sich auf Studien zurückführen, die während der Entwicklung von Senfgas für den Einsatz in der Kriegsführung durchgeführt wurden. Weiteres Verständnis erwuchs aus den Bemühungen, Antikrebsmittel zu identifizieren, die selektiv die Replikation von sich schnell teilenden Tumorzellen stoppen würden. Die zunehmende Besorgnis der Öffentlichkeit über Gefahren in unserer Umwelt hat zu zusätzlicher Forschung über die Mechanismen und Folgen der chemischen Wechselwirkung mit dem genetischen Material geführt. Beispiele für verschiedene Arten von Chemikalien, die genotoxisch wirken, sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2. Beispiele für Chemikalien, die in menschlichen Zellen Genotoxizität zeigen
| Klasse der Chemikalie | Beispiel | Quelle der Exposition | Wahrscheinlich genotoxische Läsion |
| Aflatoxine | Aflatoxin B1 | Kontaminiertes Essen | Sperrige DNA-Addukte |
| Aromatische Amine | 2-Acetylaminofluoren | Umwelt | Sperrige DNA-Addukte |
| Aziridinchinone | Mitomycin C | Chemotherapie bei Krebs | Monoaddukte, Quervernetzungen zwischen den Strängen und Einzelstrangbrüche in der DNA. |
| Chlorierte Kohlenwasserstoffe | Vinylchlorid | Umwelt | Monoaddukte in DNA |
| Metalle und Metallverbindungen | Cisplatin | Chemotherapie bei Krebs | Sowohl Intra- als auch Interstrang-Crosslinks in DNA |
| Nickelverbindungen | Umwelt | Monoaddukte und Einzelstrangbrüche in der DNA | |
| Stickstoffsenf | Cyclophosphamid | Chemotherapie bei Krebs | Monoaddukte und Quervernetzungen zwischen den Strängen in der DNA |
| Nitrosamine | N-Nitrosodimethylamin | Kontaminiertes Essen | Monoaddukte in DNA |
| Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe | Benzo (a) pyren | Umwelt | Sperrige DNA-Addukte |