of
HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY CIZORODÝCH LÁTEK
of
HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY XENOBIOTIK
 „Přímé“ mutageny / genotoxiny; metabolická aktivace promutagenů,
adukty s proteiny a DNA, chromosomální aberace;
oxidativní stres - oxidativní poškození DNA.
 Modulace intracelulární signální transdukce a změny genové
exprese, oxidativní stres, poruchy metabolismu endogenních
látek aj.
 AhR-dependentní (dioxinová) aktivita
 Další receptor-dependentní mechanismy endokrinní disrupce
(např. estrogenita, antiestrogenita).
 Inhibice mitochondriálních funkcí (respirace, syntéza ATP, ale
také apoptóza); efekty v buněčných membránách
Reprodukční poruchy, neurotoxicita, imunotoxicita, nádorová
promoce, karcinogeneze aj.
HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY XENOBIOTIK
NA BUNĚČNÉ ÚROVNI (jsou výsledkem
molekulárních procesů v buňce a na povrchu
buňky)
 Modulace buněčného cyklu, zvýšená proliferace buněk,
modulace diferenciace, inhibice apoptózy
Disrupce mezibuněčných spojení (gap junctions, adherens
junctions,...)
 Cytotoxicita, indukce apoptózy
 Přežívání, transformace buněk (komplexní mnohastupňový
proces iniciace, promoční mechanismy – de/diferenciace,
angiogeneze, ...)
of
GENOTOXICITA – METABOLICKÁ AKTIVACE
POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ
of
DETOXIKACE POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH
UHLOVODÍKŮ:
Protektivní úloha GST, UDPGT aj. enzymů 2. fáze biotransformace
of
GENOTOXICITA – METABOLICKÁ AKTIVACE
POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ
Hlavní enzymy metabolické aktivace PAHs:
CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1
GENOTOXICKÉ EFEKTY PAHs
A POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY
1. Metabolická aktivace – cytochromy P450 (CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1)
+ alternativní dráha (AKR1C9, AKR1A1)
Stabilní adukty
DNA-PAH
Oxidativní stres
Oxidativní
poškození DNA
(oxidace bazí,
apurinová místa)
GENOTOXICKÉ EFEKTY PAHs
A POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY
3. POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY (sensory poškození, regulátory
DNA „repairu“ a apoptózy)
Sensory genotoxicity,
přenos post-genotoxických
signálů a regulace:
ATM, ATR, H2AX, ChK1,
ChK2, p53
Roos, Kaina, 2006
of
HLAVNÍ TYPY POŠKOZENÍ DNA
Alkylace (methylace)
= O -OCH3
Vznik „bulky adducts“
UV záření:
dimerizace
of
MALONDIALDEHYD - TYPICKÝ PRODUKT
PEROXIDACE LIPIDŮ TVOŘÍ ADUKTY S DNA
AKRYLAMID:
-detoxikace
-metabolická
aktivace
-tvorba aduktů
s proteiny
-tvorba aduktů
s DNA
of
OXIDATIVNÍ POŠKOZENÍ DNA
of
HLAVNÍ TYPY POŠKOZENÍ DNA („apurinic sites“)
Oxidativní deaminace
Depurinace
(nestabilní
modifikované
nukleotidy)
of
PRODUKTY OXIDATIVNÍHO POŠKOZENÍ DNA
Biomarker
oxidativního
poškození
DNA
(stanovení
HPLC)
of
METABOLICKÁ AKTIVACE A DETOXIKACE
BENZENU:
of
OXIDATIVNÍ STRES
Oxidativní stres je nerovnováha mezi (zvýšenou) produkcí ROS a
oxidovaných metabolitů a limitovanou kapacitou antioxidačních
mechanismů.
Hlavní mechanismy:
- redoxní cyklování (např. naftochinony, adriamycin, paraquat aj.)
- vedlejší produkty respirace a dalších metabolických procesů
(prostaglandin H syntáza, diaminooxidáza, xanthinoxidáza)
- aktivace O2 v cyklu P450 (např. pomalu metabolizované substráty
CYP2B – fenobarbital, lindan)
- vyvolání ox. stresu v lab. experimentech: přímá produkce ROS
(t-BuHP, cis-DPP), snížení hladiny GSH (+ dietylmaleát)
- chorobné stavy (reumatoidní choroby, záněty...)
- radiace
of
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU (ROS)
Redukce
nitrosloučenin
Superoxid
Peroxid
Hydroxylový
radikál
of
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU:
redoxní cyklování chinonů / antioxidační enzymy
of
PEROXIDACE LIPIDŮ
of
DŮSLEDKY OXIDATIVNÍHO STRESU
of
ENDOKRINNÍ DISRUPCE
of
AKTIVACE AhR A NUKLEÁRNÍCH RECEPTORŮ
Aktivace AhR (indukce CYP1A1/1A2/1B1; modulace bun.
cyklu, imunosuprese, syndromy dioxinové toxicity).
 Xenobiotika jako estrogeny / antiestrogeny
 Androgeny / antiandrogeny
 Peroxisomální proliferátory
 Xenobiotika modulující thyroidní funkce
of
PCB - ENDOKRINNÍ DISRUPTORY
Koplanární PCB: induktory AhR
(„dioxin-like compounds“);
efekty také na thyroidní funkce
(kompetitivní vazba
na thyroid binding protein);
antiestrogenita (efekty na ERdependentní
genovou expresi, indukce
hydroxylace estradiolu
Nekoplanární PCB:
- nízkomolekulární kongenery mají
estrogenní aktivitu;
- prevalentní výšechlorované PCB
jsou antiestrogenní a antiandrogenní;
- vazba na thyroid binding protein;
- vazba na RyR (neurotoxicita)
of
PCB – (ANTI)ESTROGENITA
zvýšení
metabolismu E2
= inaktivace
hormonu
biosyntéza?
aktivace/
suprese ER
of
NEUROTOXICITA
 Inhibice acetylcholinesteráz (např. karbamáty, organofosfáty,
...)
 Interakce s ryanodyne receptorem (RyR) – modulace Ca2+
 Muskarinové cholinergní receptory; nerv. nikotinový receptor;
nikotinový acetylcholinový receptor (nAChR)
 Modulace uvolňování dopaminu
Poruchy diferenciace, růstu nervové tkáně, inhibice GJIC,
další interakce
of
NEUROTOXICITA: inhibice AChE
Zpomalení
regenerace
vazebného místa
(uvolnění produktu
esterázové reakce)
of
NEUROTOXICITA: interakce s RyR
a modulace Ca2+
of
NEUROTOXICITA
Cholinergní systém (neurony, které využívají acetylcholin
jako neurotransmiter):
1) muskarinové receptory patří do rodiny receptorů
serotoninu, dopaminu
2) nikotinové receptory („ligand-gated cation channels“)
of
IMUNOTOXICITA
Obecně mohou být po expozici xenobiotiky porušeny
všechny typy humorální a buněčné imunity
Apoptóza vede k supresi krevních buněk (příklad:
benzo[a]pyren je cytotoxický v relativně nízkých
koncentracích)
Suprese funkce a hmotnosti thymu (dioxiny, koplanárními
PCB aj. AhR agonisty)
 Poruchy indukce protilátkové odpovědi a další
mechanismy
of
MECHANISMY IMUNOTOXICITY BENZO[A]PYRENU
(metabolity způspbují apoptózu leukocytů)
Apoptóza
of
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE:
ZÁKLADNÍ KONCEPT
Mnohastupňový proces vývoje rakoviny, komplexní
interakce genetických, genotoxických a epigenetických
(negenotoxických) faktorů. Základní fáze karcinogeneze:
1) iniciace;
2) promoce;
3) progrese, metastáze
Faktory ovlivňující mutagenitu/genotoxicitu a karcinogenitu:
1) genetické predispozice („susceptibility“);
2) environmentální faktory (chemické kontaminanty, nutriční
vlivy), kombinace 1 + 2;
3) suprese imunologických funkcí;
4) neznámé faktory
of
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE
of
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE
GENOTOXICKÉ KARCINOGENY reagují s DNA a
ireversibilně pozměňují genom (bodové mutace, změny v
chromosomální struktuře, zlomy, výměny sesterských
chomatid, klastogeny); interakce chemických látek s
DNA:alkylace, oxidativní poškození nukleotidů, interkalace
INICIACE; mutace DNA repair, onkogenů (ras, myc aj.)
a tumor-supresorových genů (např. p53) - genů
kontrolujících buněčný cyklus a proliferaci (PAHs, nitroPAHs,
NNK aj. nitrososlouč.
NEGENOTOXICKÉ KARCINOGENY modulují signální
transdukci na postranslační úrovni - pozměněna proliferace
a diferenciace, inhibována apoptóza především působí
ve fázi PROMOCE karcinogeneze (dioxiny, PCB, OCP, azbest,
křemenný prach, keramická vlákna, kovové ionty, např. Co,
Mn, Ni, Cr, Be)
KOKARCINOGENY - samy nejsou nutně karcinogenní,
potencují aktivitu karcinogenu
of
SUSCEPTIBILITA
polymorfismus CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, CYP2E1, GSTM1,
NQO1, NAT aj. genů biotransformačních enzymů;
DNA repair; mutace v tumor-supresorových genech;
otázka etnik, pohlaví, věku;
komplexní vlivy spolu s nutričními návyky (včetně mikronutrientů,
vitamínu, PUFA aj.).
ENVIRONMENTÁLNÍ EXPOZICE
kouření;
chemické zatížení vzduchu (prach, PAHs, volatilní karcinogeny);
kontaminovaná potrava (pesticidy, persistetní látky, napúř. PCB,
dioxiny);
pracovní prostředí (PAHs, chemické výroby, cytostatika aj.)
PREKLINICKÉ EFEKTY
chromos. aberace, genové mutace, aktivace onkogenů, inaktivace
tumor. supresor. genů, komponenty bun. cyklu
molek.
biologické
metody,
epidemiolog.
studie
stanovení
„interní“
dávky
(kotinin, PCB,
1-OH-pyren),
stanovení
„molekulární“
dávky (DNA- a protein.
adukty s PAHs,
oxidativní
poškození)
of
ZÁKLADNÍ MECHANISMY NÁDOROVÁ PROMOCE
(Hannahan, Weinberg, 2000)
of
ZÁKLADNÍ MECHANISMY NÁDOROVÉ PROMOCE
 Mitogenní efekt, zvýšení buněčné proliferace, vyvázání
z kontaktní inhibice růstu, role onkogenů (mutanty ras, myc, cat,..)
a inaktivace tumorových supresorů
- interference s transdukčními signály, které kontrolují normální
buněčný růst a diferenciaci (aktivace EGFR/ErbB2-ras-ERK,
aktivace proteinkinázy C např. produkcí DAG po expozici
forbolestery), produkce ROS, aberantní produkce růstových
faktorů atd.
- aktivace ER- nebo AR-dependentní buněčné proliferace
 Inhibice apoptózy (nefunkční tumorové supresory, např. p53) =
další mechanismus přežívání buněk
 Inhibice mezibuněčné komunikace (GJIC), disrupce adherence
buněk , angiogeneze
of
MECHANISMY NEGENOTOXICKÝCH PROCESŮ
„klasické“ epigenetické mechanismy (methylace DNA nebo
acetylace/deacetylace histonů) – de/diferenciace
 genová instabilita
strukturní a funkční změny cytoplasmatické membrány, efekty na
intercelulární komunikaci (např. inhibice GJIC, disrupce
adherence) - vyvázání se z homeostatické kontroly okolních
buněk, angiogeneze, procesy související s progresí a metastázemi
of
PŘÍKLAD AKTIVACE BUN. PROLIFERACE
(aktivací signální transdukce)
of
MECHANISMY NEGENOTOXICKÝCH PROCESŮ
Forbol-
myristátacetát
= PMA, TPA
(modelový
tumor. promoter)
aktivace PKC-
ERK:
- hyperfosforylace
Cx, inhibice GJIC
- mitogenní efekty
of
DŮSLEDKY OXIDATIVNÍHO STRESU
of
DŮSLEDKY AKTIVACE PPAR
Nerovnoměrná
indukce CYP4A
(vedl. produkt: H2O2)
a dalších enzymů
(např. CAT)
dependentních
na PPARalfa
of
DŮSLEDKY AKTIVACE PPAR
DISRUPCE MEZIBUNĚČNÝCH SPOJENÍ –
VEDE K NÁDOROVÉ PROMOCI, INVAZIVITĚ A
METASTÁZÍM
INTERCELULÁRNÍ SPOJENÍ GJIC
Základní stavební
jednotkou jsou
proteiny konexiny
(connexin 32, 43 atd.),
které tvoří hexamery
(konexony);
konexony sousedních
buněk mohou tvořit
společný kanál,
kterým procházejí
signální molekuly
(cAMP, Ca2+ atd.)
INHIBICE GJIC
(scrape-loading / dye transfer assay; prostup
fluoreskující luciferové žluti monovrstvou
buněk)
kontrola expozice TPA (produkce DAG, aktivace PKC
a ERK1/2, hyperfosforylace konexinu)
DISRUPCE ADHERENTNÍCH SPOJENÍ
(ADHERENS JUNCTIONS)
biosensor density kontrola bun. akumulace
signálování kateninu/cadherinu
DISRUPCE ADHERENTNÍCH SPOJENÍ
(ADHERENS JUNCTIONS)