Toxicita xenobiotik zprostředkovaná přes jaderné receptory

RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D.

Doctoral thesis

Nuclear receptor mediated-toxicity of xenobiotics

Abstract:

Toxicita cizorodých látek zprostředkovaná přes jaderné receptory je komplexní a složitý problém, který patří k nejzajímavějším a v dnešní době intenzivně studovaným mechanismům účinku v oblasti chronické toxicity. Předkládaná disertační práce se soustředí na studium účinků nových environmentálních polutantů a přírodních látek na signální dráhy aktivované přes jaderné receptory. Hlavní pozornost je soustředěna na arylhydrokarbonový receptor (AhR) spojený s tzv. toxicitou dioxinového typu, dále na estrogenní receptory (ERs) a receptory aktivované proliferátory peroxisomů (PPARs). Kromě “klasických” ligandů AhR byla v poslední době identifikována spousta nových látek reagujících s tímto jaderným receptorem. V této studii jsme se zaměřili na dvě skupiny látek vyskytujících se v prostředí - na polycyklické aromatické dusíkaté heterocykly (aza-PAH) a na kvartérní isochinolinové alkaloidy sanguinarin a chelerythrin. Aza-PAH patří do skupiny všudypřítomných kontaminantů životního prostředí, které se do okolí uvolňují převážně z antropogenních zdrojů. Jelikož mají strukturu podobnou homocyklickým PAH a jsou na rozdíl od těchto známých aktivátorů AhR biodostupnější, mohla by být jejich potenciální dioxinová aktivita environmentálně relevantní. Z naších výsledků vyplývá, že některé z těchto sloučenin jsou schopny významně aktivovat AhR. Dioxinová aktivita vysokomolekulárních aza-PAH (zvláště dibenz[a,h]akridin a dibenz[a,i]akridin) dosáhla po kratší expoziční době (6 hod) úrovně samotného TCDD nebo ji dokonce překročila. Postavení modelu QSAR nalezlo elipsoidní objem, molekulovou refraktivitu a velikost molekuly jako nejdůležitější parametry vysvětlující různou potenci aza-PAH aktivovat AhR. Naše studie ukázala potřebu studovat i tyto dosud opomíjené polutanty životního prostředí. Kvartérní isochinolinové alkaloidy sanguinarin (SA) a chelerythrin (CHE) jsou přírodní sloučeniny s četnými biologickými účinky na organismy. Molekulární mechanismus biologických aktivit těchto látek není zcela objasněn. Z našich experimentů vyplývá, že ani jedna z těchto sloučenin neaktivuje AhR a ani neovlivňuje dioxinovou aktivitu indukovanou TCDD. Souhrnně se dá říci, že výrobky obsahující SA nebo CHE nemají významný škodlivý účinek z hlediska vlivu na signální dráhu aktivovanou AhR. Přítomnost léčiv v povrchových vodách patří k intenzivně studovaným oblastem problematiky životního prostředí. Naše studie se zaměřila na kyselinu klofibrovou, která je metabolitem mnoha léků na snížení cholesterolu v krvi, a na její účinky na genovou expresi v primárních hepatocytech izolovaných ze pstruha duhového. Mezi vybrané geny patří známé cílové geny estrogenních hormonů (geny pro VTG, VEPs, CYP3A27 a CYP3A45) a geny, o nichž je známo, že jejich transkripci ovlivňují proliferátory peroxisomů (geny pro apolipoproteiny C-II a A-I, FABP, CYP2M1 a GST). Podle našich výsledků expozice samotné kyselině klofibrové neovlivňuje v primární kultuře rybích jaterních buněk transkripci genů, které jsou regulovány estrogenními receptory. Překvapivě však tato látka snižovala množství mRNA vitelogeninu a proteinů obsažených v obalu vaječného žloutku (VEPs - vitelline envelope proteins), jejichž transkripci indukoval estradiol. Molekulární mechanismus této represe není znám a měl by být v budoucnu osvětlen. Hepatocyty ze pstruha duhového se ukázaly být necitlivé k peroxisomálním proliferačním účinkům klofibrové kyseliny, které jsou známy z literatury. Tato sloučenina neměla totiž vliv na transkripci žádného z genů citlivých na přítomnost proliferátorů peroxisomů. Tyto výsledky jsou ve shodě s literaturou, kde bylo pozorováno, že ryby jsou méně cit

Abstract:

livé na peroxisomální proliferační efekty látek než např. hlodavci.

Abstract:

Toxicity dependent on nuclear receptors evoked by toxic agents is a complex and complicated problem. This mechanism belongs to the most important and intensively studied modes of actions of chronic toxicity. Present dissertation concerns the investigation of effects of newly characterized environmental pollutants and natural substances on nuclear signaling pathways. Especially, it is concentrated on aryl hydrocarbon receptor (AhR; connected with so-called dioxin-like toxicity), estrogen receptors (ERs) and peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). Besides the “classical” AhR agonists, many newly identified substances interacting with AhR have been described including some natural compounds. In this work, we have focused on two groups of compounds occurring in the environment, namely N-heterocyclic PAHs (aza-PAHs) and quaternary benzo[c]phenathridine alkaloids sanguinarine (SA) and chelerythrine (CHE). Aza-PAHs are ubiquitous environmental pollutants released from sources related to anthropogenic activities into the environment. Due to their structural similarity to parent PAHs and better bioavailibility, AhR-mediated activity of aza-PAHs might be of environmental relevance. In our study, we have revealed that some of these compounds are able to elicit significant dioxin-like activity. Particularly aza-PAHs with higher molecular weight such as dibenz[a,h]acridine or dibenz[a,i]acridine activated AhR with affinities after shorter exposures even exceeding that of TCDD itself. The modelling of QSAR has determined ellipsoidal volume, molar refractivity, and molecular size as the most important descriptors explaining the potency of aza-PAHs to activate AhR. With respect to these findings, aza-PAHs seem to be an interesting group of substances, which require further investigation. Quaternary benzo[c]phenathridine alkaloids SA and CHE are natural compounds with a wide range of biological activities. However, the molecular basis of their activities is poorly characterized. Our study has shown that these compounds are no direct activators of AhR. Furthermore, neither SA nor CHE in submicromolar concentration affect TCDD-induced activation of AhR. In conclusion, the use of products containing SA and/or CHE seems to have relatively low toxicological impact on AhR signaling pathways. The presence of pharmaceutical compounds in surface waters is an emerging environmental issue. Our study was focused on the effects of clofibric acid (CA), metabolite of blood lipid regulators used in human medical care, on gene expressions in primary rainbow trout hepatocytes. We selected estrogen-responsive genes for VTG, VEPs, CYP3A27 and CYP3A45, and peroxisome proliferator-responsive genes for apolipoprotein C-II and A-I, FABP, CYP2M1 and GST. CA alone did not modulate transcription of estrogen-responsive genes. Surprisingly, this metabolite of widely taken drugs inhibited E2-induced VTG and VEP mRNA abundance. Molecular mechanism of this repression should be revealed in further investigation. Regarding peroxisome proliferator-responsive genes, rainbow trout hepatocytes have been shown not to respond to the peroxisome proliferative effects of CA. This compound affected transcription of none of studied genes. These results are comparable to the literature dates reporting that the responses in fish species to PPAR activators are much lower than those observed in rodents.

Keywords

toxicity, nuclear receptors, AhR, ERs, PPARs, aza-PAHs, quaternary benzo[c]phenanthridine alkaloids, clofibric acid toxicita, jaderné receptory, ER, PPAR, aza-PAH, kvarterní isochinolinové alkaloidy, klofibrová kyselina

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 10. 2006

Thesis defence

• Date of defence: 1. 11. 2006
• Supervisor: prof. RNDr. Luděk Bláha, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Environmental Chemistry