Znečištění životního prostředí a endokrinně přidružená neplodnost samců ryb

MSc. Mahdi GOLSHAN

Doctoral thesis

Environmental Contaminants and Endocrine Associated Male Infertility in Fish

Abstract:

V životním prostředí se vyskytuje velké množství přírodních a syntetických kontaminantů (ECs), u kterých je známo nebo existuje podezření, že napodobují nebo interferují s endokrinními funkcemi u samčí reprodukce. Naše dosavadní poznatky ukazují, že právě tyto kontaminanty mohou způsobit estrogeny podmíněnou feminizaci. Nicméně existuje několik ECs, které podobně jako estrogenní ECs způsobují změny v produkci androgenů, ale nezpůsobují vitelogeninem podmíněnou feminizaci. Mechanismy působení těchto látek jsou stále nejasné, vzhledem k tomu, že jsou do značné míry neznámé funkce androgenního receptoru (AR) ve fyziologii androgenně-zprostředkované samčí reprodukce. V této studii jsme zkoumali účinky vinklozolinu (VZ) (100, 400 a 800 ?g/l) a di-(2-ethylhexyl)ftalátu (DEHP) (1, 10 a 100 ?g/l) na reprodukci samců karasů po dobu 30 dnů. Vzhledem k tomu, že VZ i DEHP působí jako agonisté a/nebo antagonisté hormonálních receptorů, byly studovány subtypy estrogenů (er) a hladiny mRNA androgenních receptorů (ar). Kvůli studiu estrogenní aktivity byla jedna skupina ryb vystavena působení 17?-estradiolu (E2). U ryb vystavených DEHP (1, 10 a 100 ?g/l) došlo ke snížení produkce spermií, pohyblivosti a rychlosti. Naše předchozí studie ukázaly, že produkce spermií, pohyblivost a rychlost se u ryb snižují při expozici VZ o koncentraci 800 ?g/l. To naznačuje, že DEHP a VZ jsou schopny zasahovat do spermatogeneze a dozrávání spermií. Žádný ze samců vystavených účinku E2 neprodukoval spermie, což ukazuje na potlačenou spermatogenezi. Podobně jako u ryb exponovaných E2, také u ryb vystavených koncentracím DEHP ?10 a ?1 ?g/l bylo pozorováno snížení hladiny 11-KT, a to konkrétně v 15. a 30. dnu testování. U ryb exponovaných VZ bylo zaznamenáno snížení hladiny 11-KT, a to u ryb vystavených koncentraci 800 ?g/l VZ po dobu 7 dní, ale sledovali jsme její zvýšení u ryb vystavených koncentraci 100 ?g/ VZ po dobu 30 dnů. Hladiny E2 zůstaly nezměněny u ryb vystavených DEHP a zvýšeny u skupiny, kde byl použit E2. Hladiny LH se zvýšily u ryb vystavených koncentraci VZ 100 ?g/l. Na rozdíl od ryb vystavených účinkům DEHP a E2, kde byly hladiny LH po 15 dnech expozice sníženy. Zde byla také zjištěna souvislost mezi hladinami LH a 11-KT, což vypovídá, že inhibice nebo stimulace produkce androgenu byla způsobena změnami ve funkci hypofýzy vyvolanými právě působením DEHP nebo VZ. U ryb vystavených VZ se snižovaly hladiny gnrh3 mRNA po dobu 7denní expozice a zvyšovaly se při nízkých dávkách během 30denní expozice. kiss1 nebo kiss2 mRNA hladiny také vzrostly, zatímco gpr54 mRNA zůstala nezměněna. U ryb vystavených působení DEHP se hladiny gnrh3, kiss1 a jeho receptoru (gpr54) mRNA během doby expozice nezměnily. U ryb exponovaných E2 byly hladiny gnrh3 mRNA sníženy 7. den působení, ale hladiny kiss1 a gpr54 mRNA byly zvýšeny v 30. den expozice. Tyto výsledky ukazují, že na rozdíl od DEHP, VZ narušuje funkce hypotalamu a zpětnovazebné mechanismy v neuroendokrinní regulaci, což ovlivňuje činnost hypofýzy a testikulární funkce. Hladiny mRNA ar v mozku a lhr v testes byly ovlivněny v závislosti na dávce a době působení VZ a E2, ale zůstaly nezměněny u ryb vystavených DEHP. Tyto rozdíly vypovídají o tom, že DEHP může působit přes nezávislou hormonální receptorovou cestu, zatímco VZ působí přes receptorovou cestu. Vtg, er a cyp19a1b zůstaly beze změny u ryb vystavených DEHP a VZ, ale vzrostly u ryb vystavených účinkům E2. Ani VZ, ani DEHP tedy nepůsobí jako estrogenní kontaminanty narušující samčí plodnost.Výsledkem naší práce bylo zjištění,že v důsledku stimulace nebo inhibice produkce 11-KT prostřednictvím VZ a DEHP se snižuje kvalitu spermií ryb.K tomuto dochází z důvodu narušení funkce hypofýzy produ

Abstract:

kovat LH nebo narušením přenosu Cholesterolu pro steroidogenezi.U ryb vystavených VZ byly přerušeny zpětněvazebné mechanismy neuroendokrinních regulátorů (gnrh3 a kiss-1/gpr54).Společné působení VZ a DEHP ovlivňuje funkce mozku a testes a má negativní dopad na samčí plodnost

Abstract:

There are a large number of natural and synthetic environmental contaminants (ECs) known or suspected to mimic or interfere with male reproductive endocrine functions. Our current knowledge is largely addressed to ECs that induce oestrogen-induced feminization. However, there are several ECs that cause alternations in androgen production similar to oestrogenic ECs, but they do not induce vitellogenin-induced feminization. The mechanisms of action of these chemicals are still unclear due to the fact that androgen receptor (AR) functions in androgen-mediated male reproductive physiology are largely unknown. In the present study, we examined the effects of vinclozolin (VZ) (100, 400 and 800 ?g/L) and di-(2-ethylhexyl)-phthalate (DEHP) (1, 10 and 100 ?g/L) on male reproductive performance in goldfish following 30 days of exposure. Since both VZ and DEHP act as agonists and/or antagonists of hormonal receptors, estrogen receptor subtypes (er) and androgen receptor (ar) mRNA levels were studied. For studying their oestrogenic activity, one group of goldfish were exposed to 17?-estradiol (E2). In DEHP treated goldfish, sperm production, motility and velocity were decreased at 1, 100 and 10 ?g/L, respectively. Our previous study has shown that sperm production, motility and velocity were decreased in goldfish exposed to 800 ?g/L VZ. These suggest that DEHP and VZ are capable of interfering with spermatogenesis and sperm maturation. In E2 treated goldfish, none of the males produced sperm, indicating E2-suppressed spermatogenesis. Similar to E2 treated goldfish, 11-KT levels were decreased in goldfish exposed to ?10 and ?1 ?g/L DEHP at day 15 and 30, respectively. In VZ treated goldfish, 11-KT levels were decreased in goldfish exposed to 800 ?g/L VZ following 7 d, but increased in goldfish exposed to 100 ?g/L VZ following 30 d of exposure. E2 levels remained unchanged and increased in DEHP and E2 treated goldfish, respectively. In VZ treated goldfish, LH levels were increased at 100 ?g/L. In contrast, LH levels were decreased in DEHP and E2 treated goldfish following 15 d of exposure. There were also positive relationships between LH and 11-KT levels suggesting that inhibition or stimulation of androgen production were mediated by DEHP- or VZ-induced alternations in pituitary function. In VZ treated goldfish, gnrh3 mRNA levels were decreased following 7 d of exposure and increased at low dose following 30 d of exposure. kiss1 or kiss2 mRNA levels were also increased in VZ treated goldfish, while gpr54 mRNA remained unchanged. In DEHP treated goldfish, gnrh3, kiss1 and its receptor (gpr54) mRNA levels did not change during the period of exposure. In E2 treated goldfish, gnrh3 mRNA levels were decreased at day 7, but kiss1 and gpr54 mRNA levels were increased at day 30 of exposure. These results suggest that, in contrast to DEHP, VZ effects on pituitary and testicular functions are mediated by disruption of hypothalamus function and upstream neuroendocrine regulators. The brain ar and testicular lhr mRNA levels were changed in VZ and E2 treated goldfish depending on dose and period of treatment, however they remained unchanged in DEHP treated goldfish. These differences suggest that DEHP may act through an independent hormonal receptor pathway, while VZ acts through a receptor pathway. vtg, er and cyp19a1b remained unchanged in DEHP and VZ treated goldfish but increased in E2 treated goldfish. These indicate that neither VZ nor DEHP acts as oestrogenic compound to impair male fertility. In conclusion, DEHP and VZ reduced sperm quality in goldfish due to stimulation and inhibition of 11-KT production which were mediated by alternations in pituitary function to produce LH or by disruption of the transfer of Cholesterol to steroidogenesis. Upstream neuroendocrine regulators (gnrh3 and kiss-1/gpr54) were disrupted in VZ treated goldfish. Taken together, VZ and DEHP differentially act on brain and testis to impair fertility endpoints.

Keywords

Neuroendokrinní hormony, pohlavní steroidní hormony, kvalita spermatu, indukce vitelogeninu

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 9. 2015

Accessible from:: 3. 9. 2015

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery