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Metabolitenmuster im Blut und Genexpressionsmuster von Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor-defizienten- und Wildtyp-Mäusen

  • Polychlorierte Dibenzo-p-dioxine wie 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD), die zur Stoffgruppe der polyhalogenierten Kohlenwasserstoffe gehören, sind lipophile und persistente Umweltkontaminanten. Sie entstehen als unerwünschte Verunreinigungen bzw. Begleitstoffe vor allem während Verbrennungsprozessen organischer Materialien wie Holz oder Müll, im Tabakrauch sowie als Nebenprodukt chlororganischer Synthesen. Aufgrund ihrer hohen Lipophile reichern sie sich in der Nahrungskette an. Dioxine wie TCDD verursachen eine Vielzahl von biochemischen und toxischen Effekten wie z.B. Enzym-Induktion, Lebertoxizität, dermale Toxizität, Immuntoxizität und Kanzerogenität. Im Tiermodell konnte eine Beeinträchtigung des Fortpflanzungssystems und des Hormonhaushaltes beobachtet werden. In der Literatur herrscht Einigkeit, dass die meisten wenn nicht sogar alle toxischen Wirkungen der Dioxine über den Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt werden. Im letzten Jahrzehnt konnten jedoch in mehreren Studien AhR-unabhängige TCDD-Wirkungen beobachtet werden. Nur wenige Studien befassen sich mit der Niere als Zielorgan, wobei belegt werden konnte, dass der AhR auch für die Entwicklung der Niere eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine Tierstudie mit Wildtyp- und AhR-defizienten-Mäusen durchgeführt und dabei auch die Niere als Zielorgan betrachtet. Zunächst wurden weibliche und männliche Wildtyp- und AhR-defiziente-Mäuse einmalig mit TCDD (25 µg/kg KG) oral behandelt. Anschließend wurden Genexpressionsmuster in den Nieren mittels Microarray analysiert. In den Nieren behandelter Wildtyp-Mäuse wiesen 172 Gene, und in den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse wiesen 325 Gene eine veränderte Expression auf. In den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse wurden Gene hochreguliert, die in Prozesse des blutbildenden Systems, der Blutgerinnung sowie der Biosynthese von Sterolen und des Katabolismus von organischen Säuren involviert sind. Herrunterreguliert wurden Gene, die in Prozesse des Lipidmetabolismus, der Biosynthese sowie des Metabolismus kleinerer Moleküle und des Metabolismus von Hormonen involviert sind. Mittels RT-PCR wurde die im Microarray beobachtete erhöhte Expression einiger ausgewählter Gene des blutbildenden Systems (z. B. Hba-a1, Hbb-b1 und Rps14) und der Blutgerinnung (z. B. Fgg und F10) sowie einiger hepatischer Gene wie Lpl, Anxa1, c-Myc, Igfbp1, Esm1 und Cdh1 (Microarray-Analyse der Lebern wurde in einer früheren Studie gemessen) bestätigt. Des Weiteren wurde eine leichte, teilweise signifikant erhöhte Expression einiger pro-bzw. antiinflammatorischer Zytokine (IL-1α, IL-1ß, Il-6, IL-10 und TNF-α) in den Lebern und Milzen behandelter AhR-defizienter-Mäuse beobachtet. Die Induktion fremdstoffemtabolisiernder Enzyme wie Cyp1a1, Cyp1a2 und Cyp1b1 in den Organen Leber, Niere, Lunge und Milz behandelter Wildtyp-Mäuse konnte mittels Western-Blot und RT-PCR bestätigt werden, jedoch mit einer Ausnahme. In den Milzen behandelter Wildtyp-Mäuse konnte keine Induktion dieser Enzyme auf mRNA-Ebene beobachtet werden. In den Lebern behandelter AhR-defizienter-Mäuse war die Cyp1b1-Expression signifikant erhöht sowie die AhR-Expression vermindert. Die Induktion der Vitmain D-Rezeptor (VDR)-regulierten Gene Cyp24a1, Cyp27b1 und VDR in den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse weist auf die Aktivierung des VDR hin. Des Weiteren stellt die verminderte Expression von c-Myc in den Nieren TCDD-behandelter Knockout-Mäuse ein Hinweis für die Aktivierung des VDR dar. Durch HPLC/MS-MS-gestützte Untersuchung des Vollblutes von AhR-Wildtyp- und AhR-Knockout-Mäusen konnten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Genotypen bestimmt werden. So war es möglich Unterschiede im Aminosäuremetabolismus sowie im Tryptophan-Metabolismus zu identifizieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sowohl im unbehandelten wie auch im TCDD-behandelten Zustand, Unterschiede zwischen den Genotypen bestanden.
  • Polychlorinated dibenzo-p-dioxins like 2,3,7,8-tetrachlordibenzo-p-dioxine (TCDD), which belong to the class of polyhalogenated aromatic hydrocarbons, are lipophilic and persistent environmental pollutants. They are generated as unwanted contaminants and by-products in chemical combustion processes for example waste and sewage sludge incinerations as well as in other chemical processes such as paper pulp bleaching or metal smelting. Due to their high persistence they accumulate in the feed and food chain. Dioxins evoke a broad spectrum of biochemical and toxicological effects like enzyme induction, hepatotoxicity, dermal toxicity, immunotoxicity and carcinogenicity. Adverse effects on reproduction, development, and the endocrine system have been demonstrated in numerous animal studies. Most, if not all, toxic effects of dioxins are mediated by the aryl-hydrocarbon-receptor (AhR). In the last decade AhR-independent TCDD-effects were observed in some studies. Only a few studies address the kidney as a target organ of TCDD, although the AhR seems to play an important role in kidney development. In the present work an animal study with AhR wild-type (AhR+/+) and AhR-deficient (AhR-/-) mice was performed. In this study female and male AhR+/+ and AhR-/- mice were treated with a single dose of TCDD (25 µg/kg bw) by gavage. A microarray analysis of renal gene expression patterns was performed aiming to characterize AhR-dependent and AhR-independent TCDD-mediated effects in AhR wild-type and AhR-Knockout mice. As a result of this study, 172 genes were regulated in the kidney of wild-type mice and 325 genes in the kidney of AhR-deficient mice. TCDD-treatment of AhR-/- mice resulted in upregualtion of genes involved in processes of hematopoietic system, blood coagulation, biosynthesis of sterols and catabolism of organic acids and downregulation of genes involved in processes of lipid metabolism, biosynthesis and metabolism of small molecules as well as hormone metabolism. Increased expression of a few selected renal genes of the hematopoietic system (e.g. Hba-a1, Hbb-b1 and Rps14), blood coagulation (e.g. Fgg and F10), as well as some hepatic genes such as Lpl, Anxa1, c-Myc, Igfbp1, Esm1 and Cdh1 (observed in earlier studies) were analyzed and confirmed by RT-PCR. In liver and spleen a slight and partly significant induction of some anti- and pro-inflammatory cytokines (IL-1α, IL-1ß, IL-6 and TNF-α) was determined. Furthermore the induction of the xenobiotic metabolizing enzymes Cyp1a1, Cyp1a2 and Cyp1b1 in liver, kidney, lung and spleen of TCDD-treated AhR wild-type mice were analyzed and confirmed by western blot and RT-PCR. With one exception, in spleen of treated wild-typ mice no induction was observed in RT-PCR. In livers of treated AhR-/- mice, the Cyp1b1-expression was significantly increased while gene expression of AhR was decreased. The induction of the vitamin d-receptor (VDR) regulated genes Cyp24a1, Cyp27b1 and VDR in kidneys of treated AhR-Knockout mice indicates an activation of VDR. Furthermore the additionally decreased c-Myc-expression in kidneys of treated AhR-deficient mice supports the proposed activation of VDR. Investigating the role of AhR in the metabolome, differences and similarities between AhR-deficient and wild-type mice were determined by HPLC/MS-MS analysis of mouse whole blood of each genotype with and without TCDD-treatment. Differences in amino acid and tryptophan metabolism between AhR+/+ and AhR-/- were observed.

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Metadaten
Verfasserangaben:Thomas Michael Seibel
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-39083
Betreuer:Dieter Schrenk
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Veröffentlichungsdatum (online):03.11.2014
Jahr der Veröffentlichung:2014
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:23.10.2014
Datum der Publikation (Server):03.11.2014
Freies Schlagwort / Tag:2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin; AhR-Knockout Mäuse; Arylhydrocarbon-Rezeptor; Cyp1a1; Leber; Niere
2,3,7,8-tetrachlordibenzo-p-dioxine; AhR-deficient mice; aryl-hydrocarbon-receptor; kidney; liver
Seitenzahl:XXIV, 266
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Chemie
DDC-Sachgruppen:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
Lizenz (Deutsch):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 28.10.2014