Methoden zur Prüfung der endokkrinen Disruption bei Drosophila melanogaster

Menschliche Aktivitäten haben eine enorme Menge an Chemikalien in die Umwelt freigesetzt, die ein ernstes Problem für Organismen und für natürliche Ökosysteme darstellen¹. Von diesen Schadstoffen wird geschätzt, dass etwa 1.000 verschiedene Chemikalien das normale Gleichgewicht der endokrinen Systeme verändern können; nach dieser Eigenschaft werden sie als endokrine störende Chemikalien (EDCs) klassifiziert. Insbesondere auf der Grundlage einer kürzlichen Definition der Endokrinen Gesellschaft sind die EDCs “eine exogene Chemikalie oder eine Mischung von Chemikalien, die jeden Aspekt der Hormonwirkung beeinträchtigen können”². In den letzten drei Jahrzehnten hat es immer mehr wissenschaftliche Beweise dafür gegeben, dass EDCs die Fortpflanzung und Entwicklung von Tieren und Pflanzen beeinflussen können^{3,4,5,6,7, 8}. Darüber hinaus wurde die EDC-Exposition mit der zunehmenden Prävalenz einiger menschlicher Krankheiten zusammen, einschließlich Krebs, Fettleibigkeit, Diabetes, Schilddrüsenerkrankungen und Verhaltensstörungen^9,10,11.

Allgemeine Mechanismen der EZ

Aufgrund ihrer molekularen Eigenschaften verhalten sich EDCs wie Hormone oder Hormonvorläufer^3,4,^{5,6,7,8,9, 10,11,12}. In diesem Sinne, Sie können an einen Hormonrezeptor binden und stören endokrine Systeme entweder durch Nachahmung der Hormonaktivität oder durch Blockierung endogene Hormone Bindung. Im ersten Fall, nach der Bindung an den Rezeptor, Sie können es aktivieren, wie sein natürliches Hormon tun würde. Im anderen Fall verhindert die Bindung des EDC an den Rezeptor die Bindung seines natürlichen Hormons, so dass der Rezeptor blockiert ist und auch in Gegenwart seines natürlichen Hormons³nicht mehr aktiviert werden kann. Infolgedessen können EDCs mehrere Prozesse beeinflussen, wie die Synthese, Sekretion, Transport, Stoffwechsel oder periphere Wirkung von endogenen Hormonen, die für die Aufrechterhaltung der Homöostase, Fortpflanzung, Entwicklung und/oder Verhalten von den Organismus. Die Rezeptorbindung ist nicht die einzige bisher beschriebene Wirkungsweise für die EDCs. Es ist jetzt klar, dass sie auch handeln können, indem sie Koaktivatoren oder Corepressoren in enzymatischen Bahnen rekrutieren oder epigenetische Marker modifizieren, die die Genexpression^{10,11,12,13 deregulieren. ,14}, mit Folgen nicht nur für die aktuelle Generation, sondern auch für die Gesundheit der kommenden Generationen⁸.

Drosophila-Hormone

Die potenziellen Auswirkungen ausgewählter EDCs wurden umfassend untersucht, sowohl bei Tierarten als auch in mehreren Modellsystemen, in denen endokrine Mechanismen einigermaßen gut bekannt sind. Bei wirbellosen Tieren wurden endokrine Systeme, die Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung beeinflussen, bei Insekten aus mehreren Gründen stark charakterisiert, was ihre umfangreiche Verwendung im Bereich der biologischen Forschung, ihre wirtschaftliche Bedeutung und schließlich die Entwicklung von Insektiziden, die in der Lage sind, speziell in das Hormonsystem von Schädlingsinsekten einzugreifen.

Insbesondere unter Insekten hat sich die Fruchtfliege D. melanogaster als ein sehr leistungsfähiges Modellsystem zur Bewertung der möglichen endokrinen Wirkungen von EDCs erwiesen. Bei D. melanogaster, sowie bei Wirbeltieren, Hormone spielen eine wichtige Rolle über den gesamten Lebenszyklus. In diesem Organismus gibt es drei Haupthormonsysteme, die das Steroidhormon 20-Hydroxyecdyson (20E)^15,16, das sesquiterpenoide Juvenile Hormon (JH)¹⁷, und die Neuropeptide und Peptid/Protein beinhalten Hormone¹⁸. Diese dritte Gruppe besteht aus mehreren Peptiden, die in jüngerer Zeit entdeckt wurden, aber eindeutig an einer Vielzahl von physiologischen und Verhaltensprozessen beteiligt sind, wie Langlebigkeit, Homöostase, Stoffwechsel, Reproduktion, Gedächtnis und Bewegungssteuerung. 20E ist homologe zu Cholesterin-abgeleiteten Steroidhormonen wie Estradiol, während JH einige Ähnlichkeiten mit Retinsäure teilt; beide sind die bekannteren Hormone in Drosophila^19,20. Ihr Gleichgewicht ist entscheidend für die Koordination von Molting und Metamorphose sowie für die Steuerung mehrerer postentwicklungsmäßiger Prozesse, wie Fortpflanzung, Lebensdauer und Verhalten²¹, und bietet somit verschiedene Möglichkeiten zur Erprobung endokriner Störung in Drosophila. Darüber hinaus sind Ecdysteroidhormone und JHs die Hauptziele der sogenannten Insektizide der dritten Generation, die entwickelt wurden, um entwicklungs- und reproduktive endokrine Prozesse bei Insekten zu stören. Die agonistische oder antagonistische Wirkungsweise dieser Chemikalien ist bekannt und kann daher als Referenzstandards für die Bewertung der Auswirkungen potenzieller EDCs auf das Wachstum, die Fortpflanzung und die Entwicklung von Insekten dienen²². Zum Beispiel, Methopren, das weit verbreitet bei der Bekämpfung von Mücken und anderen Wasserinsekten^23,24, arbeitet als JH-Agonist und unterdrückt 20E-induzierte Gentranskription und Metamorphose.

Neben Hormonen ist auch die Superfamilie des Nuklearrezeptors (NR) in Drosophila bekannt; Es besteht aus 18 evolutionär konservierten Transkriptionsfaktoren, die an der Kontrolle hormonabhängiger Entwicklungspfade sowie Reproduktion und Physiologie²⁵beteiligt sind. Diese Hormon NRs gehören zu allen sechs NR-Überfamilie Subtypen, einschließlich der an der Neurotransmission^{beteiligt 26}, zwei für Retinsäure NRs, und diejenigen für Steroid NRs, die bei Wirbeltieren, eines der primären Ziele von EDCs²⁷darstellen.

Drosophila als Modellsystem zum Studium von EDCs

Derzeit führen mehrere Umweltagenturen auf der ganzen Welt auf der Grundlage molekularer Eigenschaften das Potenzial, die endokrinen Systeme zu stören, verschiedenen vom Menschen hergestellten Chemikalien zu. Da die EDC ein globales und allgegenwärtiges Problem für die Umwelt und für Organismen darstellen, besteht das übergeordnete Ziel der Forschung auf diesem Gebiet darin, ihre Krankheitslast zu verringern und lebende Organismen vor ihren nachteiligen Auswirkungen zu schützen. Um das Verständnis über die möglichen endokrinen Wirkungen einer Chemikalie zu vertiefen, ist es notwendig, sie in vivo zu testen. Zu diesem Zweck stellt D. melanogaster ein gültiges Modellsystem dar. Bis heute wurde die Fruchtfliege ausgiebig als In-vivo-Modell verwendet, um die Auswirkungen mehrerer Umwelt-EDCs zu bewerten; Es wurde berichtet, dass die Exposition gegenüber mehreren EDCs, wie Dibutylphthalat (DBP)²⁸, Bisphenol A (BPA), 4-Nonylphenol (4-NP), 4-tert-octylphenol (4-tert-OP)²⁹, Methylparaben (MP)³⁰, Ethylparaben (EP)^{31, 32}, bis-(2-ethylhexyl) phthalat (DEHP)³³, und 17-a-ethinylestradiol (EE2)³⁴, beeinflusst den Stoffwechsel und die endokrinen Funktionen wie bei Wirbeltiermodellen. Mehrere Gründe haben dazu geführt, dass er als Modell in diesem Forschungsbereich verwendet wurde. Neben der hervorragenden Kenntnis seiner endokrinen Systeme sind weitere Vorteile sein kurzer Lebenszyklus, niedrige Kosten, leicht zu manipulierbares Genom, eine lange Forschungsgeschichte und mehrere technische Möglichkeiten (siehe FlyBase-Website, http://flybase.org/). D. melanogaster bietet auch ein leistungsfähiges Modell für die einfache Untersuchung der transgenerationalen Effekte und Der Population Reaktionen auf Umweltfaktoren⁸ und vermeidet ethische Fragen, die für In-vivo-Studien an höheren Tieren relevant sind. Darüber hinaus teilt die Fruchtfliege ein hohes Maß an Generhaltung mit menschenweisen, was es Drosophila EDC-Assays ermöglichen könnte, bei der Vorhersage oder Demindizierung möglicher Auswirkungen dieser Chemikalien auf die menschliche Gesundheit zu helfen. Neben der Erweiterung des Verständnisses über die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit kann Drosophila dazu beitragen, die Risiken einer EDC-Exposition gegenüber der Umwelt, wie den Verlust der biologischen Vielfalt und die Umweltzerstörung, zu bewerten. Schließlich bietet die Fruchtfliege den zusätzlichen Vorteil, in Laboratorien eingesetzt zu werden, in denen die Faktoren, die ihre Entwicklung, Fortpflanzung und Lebensdauer beeinflussen, unter Kontrolle gehalten werden können, um jede Variation dem zu prüfenden Stoff zuzuschreiben.

Vor diesem Hintergrund haben wir einfache und robuste Fitness-Assays optimiert, um EDC-Effekte auf einige Drosophila-Hormonmerkmale wie Fruchtbarkeit/Fruchtbarkeit, Entwicklungszeitpunkt und Erwachsenenlebensdauer zu bestimmen. Diese Assays wurden weit verbreitet für einige EDCs^{23,24,25,26,27}verwendet. Insbesondere haben wir die folgenden Protokolle verwendet, um die Auswirkungen der Exposition gegenüber dem synthetischen Östrogen EE2³⁴ und BPA und Bisphenol AF (BPA F) (unveröffentlichte Daten) zu bewerten. Diese Protokolle können leicht geändert werden, um die Auswirkungen eines bestimmten EDC zu einem Zeitpunkt zu untersuchen, sowie die kombinierten Wirkungen mehrerer EDCs in D. melanogaster.