Umweltfaktor – Juli 2022: Intramurale Arbeiten des Monats

DNTP-Studie zeigt, dass Zebrafisch-Screening-Protokolle die Toxizitätsergebnisse beeinflussen

Laut Forschern der NIEHS-Abteilung des National Toxicology Program (DNTP) könnte eine quantitative Bewertung der Variabilitätsquellen bei der Gestaltung von Zebrafischexperimenten die Grundlage für weltweite Bemühungen zur Harmonisierung von Protokollen bilden.

Zebrafischembryos wurden aufgrund von Vorteilen wie Transparenz und schneller Entwicklung häufig als Toxizitäts-Screening-Tools verwendet. Die von unabhängigen Labors erhaltenen Daten können jedoch stark variieren, was die Verwendung des Zebrafisch-Screenings für regulatorische Entscheidungen erschwert.

Um dieses Problem zu untersuchen, analysierten DNTP-Forscher Zebrafisch-Toxizitätsdaten von drei unabhängigen Labors, die denselben Satz von 87 Verbindungen verwendeten. Sie schätzten die Konzentrationen, die Tod, Entwicklungstoxizität und Beeinträchtigung der Bewegungsreaktionen auslösten.

Bei Labors, die ähnliche Testprotokollparameter verwendeten, erreichte die Übereinstimmung bei den Ergebnissen zur Entwicklungstoxizität bis zu 86 % und bei den Ergebnissen zur neurologischen Toxizität bis zu 68 %. Im Gegensatz dazu sank die Konkordanz für Labore, die andere Protokollparameter verwendeten. Erstaunlicherweise reichte die Konzentration, die erforderlich war, um Entwicklungs- und neurologische Toxizität zu erzeugen, im Durchschnitt bis zum Vierfachen bzw. Sechsfachen.

Zu den Faktoren, die möglicherweise zu dieser Variabilität beigetragen haben, gehörten der Fischstamm, ob die äußerste Membran, die den Embryo umgibt, entfernt worden war, das Expositionsszenario und -volumen sowie die Dauer der Verhaltenstests. Laut den Autoren könnten die Ergebnisse die laufenden Bemühungen leiten, Zebrafische als ergänzendes Modell für die Arzneimittelentwicklung und Toxizitätstests zu integrieren.

Zitat: Hsieh JH, Behl M, Parham F, Ryan K. 2022. Untersuchung des Einflusses des Versuchsdesigns auf die Toxizitätsergebnisse in Zebrafischembryotests. Toxicol Sci; doi:10.1093/toxsci/kfac053 [Online 27 May 2022].

Frühe Biomarker können Lungenerkrankungen bei Frühgeborenen vorhersagen

Molekulare Biomarker, die bei der Geburt vorhanden sind, werden laut NIEHS-Forschern und ihren Mitarbeitern mit der späteren Entwicklung einer chronischen Atemwegserkrankung namens bronchopulmonale Dysplasie (BPD) in Verbindung gebracht.

BPD betrifft hauptsächlich Säuglinge, die vor der 30. Schwangerschaftswoche geboren wurden und ein Geburtsgewicht von weniger als 1.000 Gramm haben und die mehr als vier Wochen lang eine therapeutische Sauerstoffergänzung auf der Neugeborenen-Intensivstation erhalten. Der Zustand ist durch eine beeinträchtigte Lungenentwicklung gekennzeichnet, die bis ins spätere Leben andauert. Die Fälle haben zugenommen und die therapeutischen Möglichkeiten zur Vorbeugung und Behandlung sind begrenzt. Darüber hinaus sind die Mechanismen, die zu der Krankheit führen, nicht vollständig verstanden.

Um diese Wissenslücke zu schließen, sammelten die Forscher Nabelschnurblutproben von 107 Frühgeborenen, von denen 14 BPS entwickelten. Sie analysierten epigenetische Muster – chemische Modifikationen, die die Genaktivität beeinflussen könnten, wenn es keine Veränderungen in der zugrunde liegenden DNA-Sequenz gibt. Die Ergebnisse zeigten eine höhere Anzahl epigenetischer Mutationen, die die DNA-Methylierung veränderten, sowie Unterschiede in der Genaktivität bei Neugeborenen, die später BPD entwickelten, im Vergleich zu denen, die dies nicht taten.

Insbesondere war das BPD-Risiko mit veränderten DNA-Methylierungsprofilen aus Nabelschnurblut in Genen verbunden, die an der Lungen- und Alveolarentwicklung und der Hämatopoese beteiligt sind. Zusammengenommen beleuchten die Ergebnisse die biologischen Wege, die an BPD beteiligt sind, und legen mehrere potenzielle epigenetische Biomarker nahe, die auf eine höhere Anfälligkeit für BPD bei der Geburt hinweisen könnten. Die Co-Erstautoren Xuting Wang, Ph.D., und Hye-Youn Cho, Ph.D., von der Environmental Epigenomics and Disease Group weisen darauf hin, dass weitere Studien erforderlich sind, um festzustellen, ob CpG-Sites (Regionen, in denen DNA-Methylierung auftritt) sie identifiziert werden sich als klinisch relevant erweisen.

siehe auch  Eine unglaubliche Reise | Nachrichten, Sport, Jobs

Zitat: Wang X, Cho HY, Campbell MR, Panduri V, Coviello S, Knight MT, Sambandan D, Kleeberger SR, Pollack FP, Ofman G, Bell DA. 2022. Epigenomweite Assoziationsstudie zu bronchopulmonaler Dysplasie bei Frühgeborenen: Ergebnisse des Discovery-BPD-Programms. Clin Epigenetics 14(1):57.

Wissenschaftler bewerten die Epigenetik der Lungenfunktion über Vorfahren hinweg

Eine groß angelegte Multi-Abstammungs-Studie von NIEHS-Forschern und ihren Mitarbeitern bietet eine umfassende Bewertung der epigenomweiten DNA-Methylierung in Bezug auf die Lungenfunktion.

Die Lungenfunktion wird sowohl von der Genetik als auch von Umwelteinflüssen beeinflusst. Große genomweite Assoziationsstudien haben mehr als 300 Loci im Zusammenhang mit der Lungenfunktion identifiziert, aber ein Großteil der Variabilität bleibt ungeklärt. Epigenetische Markierungen wie Methylierung (chemische Modifikationen, die die Genexpression verändern können, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz zu beeinflussen) werden von der Genetik und der Umwelt beeinflusst und können dazu beitragen. Epigenomweite Studien haben einige Assoziationen zwischen Lungenfunktion und Cytosin-Phosphat-Guanin (CpG)-Stellen aufgedeckt, bei denen es sich um Regionen handelt, in denen auf ein Cytosin-Nukleotid ein Guanin-Nukleotid in der linearen Basensequenz folgt. Aber die Replikation war begrenzt, die meisten Forschungen konzentrierten sich auf europäische Populationen, und es wurde keine groß angelegte Studie mit mehreren Vorfahren veröffentlicht.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, führten die Forscher epigenomweite Analysen der Blut-DNA-Methylierung und Lungenfunktion bei 17.503 Erwachsenen europäischer, afrikanischer und hispanischer/lateinischer Abstammung durch. Die Lungenfunktion stand in Zusammenhang mit der DNA-Methylierung an 1.267 CpG-Stellen, die 1.042 Gene umfassen. Die überwiegende Mehrheit dieser Gene war nie mit der Lungenfunktion in Verbindung gebracht worden. Obwohl die meisten Signale über alle Vorfahren hinweg konsistent waren, waren einige möglicherweise einzigartig für Personen afrikanischer Abstammung. Einige beteiligte Gene sind Ziele von zugelassenen oder in der Erprobung befindlichen Arzneimitteln.

Diese Ergebnisse können genutzt werden, um Mechanismen zu verstehen, die die Lungenfunktion regulieren, diagnostische und prognostische Biomarker für Atemwegserkrankungen zu entwickeln und potenzielle Ziele für präventive und therapeutische Strategien zu identifizieren.

Zitat: Lee M, Huan T, McCartney DL, Chittoor G, de Vries M, Lahousse L, Nguyen JN, Brody JA, Castillo-Fernandez J, Terzikhan N, Qi C, Joehanes R, Min JL, Smilnak GJ, Shaw JR, Yang CX , Colicino E, Hoang TT, Bermingham ML, Xu H, Justice AE, Xu CJ, Rich SS, Cox SR, Vonk JM, Prokić I, Sotoodehnia N, Tsai PC, Schwartz JD, Leung JM, Sikdar S, Walker RM, Harris SE, van der Plaat DA, Van Den Berg DJ, Bartz TM, Spector TD, Vokonas PS, Marioni RE, Taylor AM, Liu Y, Barr RG, Lange LA, Baccarelli AA, Obeidat M, Fornage M, Wang T, Ward JM , Motsinger-Reif AA, Hemani G, Koppelman GH, Bell JT, Gharib SA, Brusselle G, Boezen HM, North KE, Levy D, Evans KL, Dupuis J, Breeze CE, Manichaikul A, London SJ; BIOS-Konsortium, GoDMC. 2022. Lungenfunktion und Blut-DNA-Methylierung: Eine Epigenom-weite Assoziations-Metaanalyse mit mehreren Vorfahren. Bin J Respir Crit Care Med; doi:10.1164/rccm.202108-1907OC [Online 10 May 2022].

Pränatale Phthalatexposition kann Kinder für Fettleibigkeit prädisponieren

Phthalate genannte endokrine Disruptoren sind laut NIEHS-Forschern und ihren Mitarbeitern sowohl mit geringerer Adipositas und geringerem Gewicht bei der Geburt als auch mit höherer Adipositas während der Kindheit verbunden.

siehe auch  Erde, echte Ziege, bricht langen Geschwindigkeitsrekord

Phthalate sind allgegenwärtig in der Umwelt, Körperpflegeprodukten, Lebensmittel- und Getränkeverpackungsmaterialien und Vinylprodukten. Eine pränatale Phthalatexposition wurde mit einem niedrigeren Geburtsgewicht, aber auch einem höheren Gewicht in der Kindheit in Verbindung gebracht. Dennoch haben nur wenige Studien die pränatale Phthalat-Exposition in Bezug auf das Gewicht oder den BMI, gemessen von der pränatalen Phase bis zur Kindheit, untersucht. Dieses Assoziationsmuster könnte wichtig sein, da ein geringeres Geburtsgewicht in Kombination mit einer schnellen Gewichtszunahme im frühen Leben ein Risikofaktor für spätere kardiometabolische Erkrankungen ist.

Um diese Wissenslücke zu schließen, analysierten die Forscher eine Reihe von Phthalat-Metaboliten im Urin, die von 780 schwangeren Frauen bei zwei Besuchen an vier Standorten in den Vereinigten Staaten gesammelt wurden. Die pränatale Exposition gegenüber mehreren Phthalaten war mit einem geringeren Gewicht bei der Geburt verbunden, jedoch nicht während der Kindheit. Darüber hinaus war die vorgeburtliche Exposition gegenüber einigen Phthalaten mit einem niedrigen Verhältnis von Gewicht zu Länge bei der Geburt sowie einem hohen Body-Mass-Index im Alter von drei bis sechs Jahren verbunden. Nach Ansicht der Autoren ist angesichts der hohen Raten von Fettleibigkeit bei Kindern in den Vereinigten Staaten eine fortgesetzte Untersuchung der Rolle solcher Umweltbelastungen gerechtfertigt.

Zitat: Ferguson KK, Bommarito PA, Arogbokun O, Rosen EM, Keil AP, Zhao S, Barrett ES, Nguyen RHN, Bush NR, Trasande L, McElrath TF, Swan SH, Sathyanarayana S. 2022. Pränatale Phthalatexposition und Gewicht und Adipositas von Kindern in utero bis 6 Jahre. Environ Health Perspect 130(4):47006.

Strukturelle Momentaufnahmen geben Aufschluss über die Choreographie der Katalyse

Kristallstrukturen mysteriöser Molekülkomplexe haben laut NIEHS-Forschern und ihren Mitarbeitern Einblicke auf atomarer Ebene in die Vielfalt der Mechanismen gegeben, die enzymatischen Reaktionen zugrunde liegen.

Protein-Tyrosin-Phosphatasen (PTPs) sind Enzyme, die für viele Zellfunktionen essentiell sind. Es war nicht klar, wie enzymatische Reaktionen für eine Untergruppe von PTPs ablaufen, denen die klassische Version eines prominenten Strukturelements namens WPD-Schleife fehlt. Fortschritte bei der Lösung dieses Rätsels erfordern hochauflösende Strukturen von Mitgliedern dieser speziellen Gruppe von Enzymen, die mit ihren natürlichen Substraten interagieren.

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, stellten die Forscher Kristallkomplexe für einen solchen PTP-Ausreißer bereit: Arabidopsis thaliana Pflanze und Pilze atypische duale Spezifität Phosphatase 1 (BeiPFA-DSP1). Hochaufgelöste Kristallstrukturen offenbarten den katalytischen Kern von BeiPFA-DSP1 interagiert mit Signalmolekülen namens Inositolpyrophosphaten (PP-InsPs). Durch die Verknüpfung einzelner Strukturdatensätze klärten die Forscher auf, wie die WPD-Schleife zur Katalyse beiträgt, obwohl ihr die typische Peptidsequenz fehlt. Bei Pflanzen kann diese Art von Reaktion die Dürretoleranz beeinflussen und die molekulare Abwehr gegen pflanzenfressende Larven und Krankheitserreger regulieren.

Zusammengenommen stellen die Ergebnisse eine signifikante Erweiterung der bekannten chemischen Vielseitigkeit der WPD-Schleife dar, wodurch das mechanistische Verständnis ihrer wichtigen Beiträge zum Anpassen von Reaktivitätsprofilen für einzelne Mitglieder der PTP-Familie erheblich erweitert wird.

Zitat: H. Wang, L. Perera, N. Jork, G. Zong, AM Riley, BVL Potter, HJ Jessen, SB Shears. Ein strukturelles Exposé der nichtkanonischen molekularen Reaktivität innerhalb der Protein-Tyrosin-Phosphatase-WPD-Schleife. 2022. Nat Commun 13(1):2231.

(Janelle Weaver, Ph.D., ist Vertragsautorin für das NIEHS Office of Communications and Public Liaison.)

Newsletter

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.