Методы тестирования эндокринных нарушений в Drosophila меланогастер

Деятельность человека высвобождает в окружающую среду огромное количество химических веществ, которые представляют собой серьезную проблему для организмов и для природных экосистем¹. Из этих загрязнителей, по оценкам, около 1000 различных химических веществ могут изменить нормальный баланс эндокринной системы; в соответствии с этим свойством, они классифицируются как эндокринные разрушающие химические вещества (EDCs). В частности, на основе недавнего определения Эндокринного общества, EDCs являются “экзогенным химическим веществом, или смесь химических веществ, которые могут вмешиваться в любой аспект гормонального действия”². За последние три десятилетия, наблюдается рост научных доказательств того, что EDCs может повлиять на воспроизводство и развитие животных и растений^{3,4,5,6,7, 8}. Кроме того, воздействие EDC было связано с ростом распространенности некоторых заболеваний человека, включая рак, ожирение, диабет, заболевания щитовидной железы, и поведенческие расстройства^9,10,11.

Общие механизмы EDC

Из-за своих молекулярных свойств, EDCs ведут себякак гормоны или прекурсоры гормонов 3,^{4,5,6,8,9, 10,11,12}. В этом смысле они могут связываться с рецептором гормона и нарушать эндокринную систему либо, имитируя активность гормонов, либо блокируя эндогенные гормоны, связывающие. В первом случае, после связывания с рецептором, они могут активировать его, как его естественный гормон будет делать. В другом случае, связывание EDC с рецептором предотвращает связывание его естественного гормона, поэтому рецептор блокируется и больше не может быть активирован, даже при наличии его естественного гормона³. Как следствие, EDCs может повлиять на несколько процессов, таких как синтез, секреция, транспорт, метаболизм, или периферийное действие эндогенных гормонов, которые отвечают за поддержание гомеостаза, размножения, развития и / или поведение организма. Связывание рецепторов не является единственным способом действия, описанным до сих пор для EDCs. Теперь ясно, что они также могут действовать путем набора коактиваторов или основных сепрессоров в ферментативных путей или путем изменения эпигенетических маркеров дерегулирования экспрессии генов^{10,11,12,13 ,14}, с последствиями не только для нынешнего поколения, но и для здоровья грядущих поколений⁸.

Гормоны дрозофилы

Потенциальные последствия отдельных ЭДЦ были широко изучены, как в видах дикой природы, так и в нескольких модельных системах, в которых достаточно хорошо известны эндокринные механизмы. Для беспозвоночных эндокринные системы, влияющие на рост, развитие и размножение, широко охарактеризованы насекомыми по нескольким причинам, включая их широкое использование в области биологических исследований, их экономическое значение и наконец, развитие инсектицидов в состоянии вмешиваться конкретно в гормональную систему насекомых-вредителей.

В частности, среди насекомых плодовая муха D. melanogaster оказалась очень мощной модельной системой для оценки потенциальных эндокринных эффектов ЭДЦ. В D. melanogaster, как и у позвоночных, гормоны играют важную роль на протяжении всего жизненного цикла. В этом организме, Есть три основные гормональные системы, которые включают стероидных гормонов 20-гидроксиексидизон (20E)^15,16, сесквитерпеноид ювенильный гормон (JH)¹⁷, и нейропептидов и пептида / белка гормоны¹⁸. Эта третья группа состоит из нескольких пептидов, обнаруженных совсем недавно, но явно участвующих в огромном разнообразии физиологических и поведенческих процессов, таких как долголетие, гомеостаз, обмен веществ, воспроизводство, память, и локомотив ный контроль. 20E является гомологичным для холестерина полученных стероидных гормонов, таких как эстрадиол, в то время как JH разделяет некоторые сходства с ретинойной кислоты; оба они являются наиболее известными гормонами в Drosophila^19,20. Их баланс имеет жизненно важное значение в координации линьки и метаморфозы, а также в управлении несколькими постразвития процессов, таких как воспроизводство, продолжительность жизни, и поведение²¹, таким образом, предлагая различные возможности для тестирования эндокринной нарушения в Дрозофиле. Кроме того, экристероидные гормоны и JH являются основными целями так называемых инсектицидов третьего поколения, разработанных для вмешательства в процессы развития и репродуктивного эндокринных опосредованных у насекомых. Агонист или антагонист режим действия этих химических веществ хорошо известен, и, таким образом, они могут служить в качестве эталонных стандартов для оценки влияния потенциальных EDCs на рост, размножение и развитие насекомых²². Например, метопрена, которая широко используется в борьбе с комарами и другими водными насекомыми^23,24, работает как агонист JH и подавляет 20E-индуцированной транскрипции генов и метаморфоз.

В дополнение к гормонам, суперсемейка ядерных рецепторов (NR) в Дрозофиле также хорошо известна; она состоит из 18 эволюционно сохраненных транскрипционных факторов, участвующих в контроле гормонозависимых путей развития, а также воспроизводства и физиологии²⁵. Эти гормоны НР принадлежат ко всем шести NR суперсемейных подтипов, в том числе тех, кто участвует в нейротрансмиссии²⁶, два для ретинойной кислоты НР, и те, для стероидных НР, которые, у позвоночных, представляют собой одну из основных целей EDCs²⁷.

Дрозофила как модельная система для изучения EDCs

В настоящее время, исходя из молекулярных свойств, несколько природоохранных учреждений во всем мире объясняют возможность вмешательства в эндокринные системы различными антропогенными химическими веществами. С учетом того, что ЭЦП представляют собой глобальную и повсеместную проблему для окружающей среды и организмов, общая цель исследований в этой области заключается в сокращении бремени их болезней, а также в защите живых организмов от их неблагоприятных последствий. Для того, чтобы углубить понимание о потенциальном эндокринных эффектов химического вещества, необходимо проверить его in vivo. С этой целью D. melanogaster представляет собой действительную модельную систему. До настоящего времени плодовая муха широко использовалась в качестве модели in vivo для оценки воздействия нескольких экологических ЭДЦ; было сообщено, что воздействие нескольких EDCs, таких как дибутил фталат (DBP)²⁸, бисфенол A (BPA), 4-nonylphenol (4-NP), 4-терт-октильфенол (4-терт-OP)²⁹, метилпарабен (MP)³⁰, этилпарабен (EP)^{31, 32}, бис-(2-этилгексил) фталат (DEHP)^33,и 17-з-этинилэстрадиол (EE2)³⁴, влияет на обмен веществ и эндокринные функции, как в позвоночных моделей. Несколько причин привели к его использованию в качестве модели в этой области исследований. Помимо превосходного знания его эндокринной системы, дальнейшие преимущества включают в себя его короткий жизненный цикл, низкая стоимость, легко манипулируемый геном, долгая история исследований, и несколько технических возможностей (см. сайт FlyBase, http://flybase.org/). D. melanogaster также обеспечивает мощную модель для легкого изучения эффектов трансгенерации и реакции населения на факторы окружающей среды⁸ и позволяет избежать этических вопросов, имеющих отношение к исследованиям in vivo у высших животных. Кроме того, плодовая муха разделяет высокую степень сохранения генов с людьми, которые могли бы сделать возможным для Drosophila EDC анализы, чтобы помочь в прогнозировании или предлагая потенциальные последствия этих химических веществ для здоровья человека. Помимо расширения понимания последствий для здоровья человека, Дрозофила может помочь оценить риски воздействия ЭДК на окружающую среду, такие как утрата биоразнообразия и ухудшение состояния окружающей среды. Наконец, плодовая муха предлагает дополнительное преимущество использования в лабораториях, где факторы, потенциально влияющие на ее развитие, размножение и продолжительность жизни, могут быть под контролем, с тем чтобы отнести любые изменения к веществу, которое должно быть проверено.

Имея это в виду, мы оптимизировали простые и надежные фитнес-анализы для определения эффектов EDC на некоторые причинно-то гормональные черты, такие как плодовитость/фертильность, время развития и продолжительность взрослой жизни. Эти анализы были широко использованы для некоторых EDCs^{23,24,25,26,27}. В частности, мы использовали следующие протоколы для оценки воздействия синтетического эстрогена EE2³⁴ и BPA и бисфенола AF (BPA F) (неопубликованные данные). Эти протоколы могут быть легко изменены для изучения последствий данной EDC в то время, а также комбинированные эффекты нескольких EDCs в D. melanogaster.