J. Vondráček
Hlavní mechanismy toxicity cizorodých
látek
Hlavní mechanismy toxicity xenobiotik
„Přímé“ mutageny / genotoxiny; metabolická aktivace promutagenů,
adukty s DNA, chromosomální aberace; oxidativní stres oxidativní
poškození DNA
Mechanismy nádorové promoce – (negenotoxické) modulace
intracelulární signální transdukce a změny genové exprese,
oxidativní stres aj. AhR-dependentní (dioxinová) aktivita. Efekty v
plasmatické membráně. Chemicky indukovaná karcinogeneze.
Další receptor-dependentní mechanismy: endokrinní disrupce
(např. estrogenita, anti-estrogenita)
Inhibice mitochondriálních funkcí (respirace, syntéza ATP, ale
také apoptóza – porušení mitochondriální membrány)
Neurotoxicita, imunotoxicita, poruchy metabolismu endogenních
látek atd.
Genotoxicita
Genotoxicita = potenciálně škodlivé účinky chemických látek nebo
záření na genetický materiál; důsledkem nemusí být smrt buňky, ale
trvalé genetické změny (mutace, chromosomální aberace aj.).
Příklady hlavních genotoxinů: PAU (benzo[a]pyren), alkylované PAU,
aromatické a heterocyklické aminy, nitro- a nitrososloučeniny,
halogen. deriváty uhlovodíků (CCl4), aldehydy a epoxidy, azobarviva
a akridinová barviva, silná oxidační činidla, některé těžké a transitní
kovy (Cd, Cr) aj.
Typy genotox. poškození: bodové mutace (ox. deaminací cytosinu
vzniká uracyl, analoga bazí, alkylace bazí); chromosomální aberace
(delece, inserce, duplikace, inverze úseku chromosomu, translokace
úseku chromosomu na nehomologní chromosom); klastogeny =
způsobují zlomy chromosomů (UV záření, interkalační látky);
euploidie = změna počtu chromosomových sad, např. tetraploidie,
aneuploidie = změna počtu jednotlivých chromosomů.
Teratogeneze – vznik poškození plodu (vrozené vývojové vady
apod.); způsobují to teratogeny (některá org. rozpouštědla, viry aj.;
mutagenní látky mohou působit jako teratogeny).
1) Genotoxicita – metabolická aktivace
polycyklických aromatických uhlovodíků
Detoxikace polycyklických aromatických
uhlovodíků:
Protektivní úloha GST, UDPGT aj. enzymů 2. fáze
biotransformace
Genotoxicita – metabolická aktivace
polycyklických aromatických uhlovodíků
nejsilnější genotoxin ze skupiny PAHs je dibenzo[a,l]pyren
(DB[al]P) sterická dostupnost metabolitů (dihydrodiolepoxidů) pro
GST event. další enzymy 2. fáze biotransformace
Genotoxicita – metabolická aktivace
polycyklických aromatických uhlovodíků
Akrylamid: detoxikace vs. tvorba aduktů
detoxikace
metabolická
aktivace
-tvorba aduktů
s proteiny
-tvorba aduktů
s DNA
Malondialdehyd
Typický produkt peroxidace lipidů tvoří adukty s DNA
2) Hlavní typy poškození DNA
O OCH3
Alkylace (methylace)
= O -OCH3
Vznik objemných
aduktů
(“bulky adducts“)
UV záření:
dimerizace
Hlavní typy oxid. poškození DNA (“apurinic
sites“)
Oxidativní poškození
DNA – deaminace
Depurinace (nestabilní
modifikované nukleotidy)
Produkty oxidativního poškození DNA
Biomarker
oxidativního
poškození
DNA
(stanovení
HPLC)
3) Aktivace signálních drah detekujících
poškození DNA
Roos, Kaina, 2006
OXIDATIVNÍ STRES
Oxidativní stres
Oxidativní stres je nerovnováha mezi (zvýšenou) produkcí ROS a
oxidovaných metabolitů a limitovanou kapacitou antioxidačních
mechanismů.
Hlavní mechanismy vzniku ROS:
- chorobné stavy (reumatoidní choroby, záněty...)
- vedlejší produkty respirace a dalších metabolických procesů
(prostaglandin H syntáza, diaminooxidáza, xanthinoxidáza)
- radiace
- metabolismus ciz.látek - aktivace O2 v cyklu P450 (např.
pomalu metabolizované substráty fenobarbital, lindan CYP2B);
redoxní cyklování chinonů aj.; v experimentálních studiích
přímá produkce ROS (terc-BuHP), snížení hladiny GSH
(dietylmaleát)
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU:
redoxní cyklování chinonů / antioxidační enzymy
Důsledky oxidativního stresu
(různé role ox. stresu v chemické karcinogenezi)
ENDOKRINNÍ DISRUPCE
Mechanismy endokrinní disrupce
biosyntéza steroidních hormonů (např. inhibice CYP19 –
aromatázy snižuje hladinu estrogenů);
transport steroidních a thyroidních hormonů (kompetice vazby
hormonů na transportní bílkoviny snižuje hladinu hormonů v
cílových tkáních);
aktivace nebo suprese nukleárních receptorů (AR, ER, TR aj.
vede k nežádoucím změnám v receptor-závislé genové expresi)
katabolismus (inaktivace) hormonů probíhá za účasti
biotransformačních enzymů (např. hydroxylace steroidů enzymy
CYP)
NUKLEÁRNÍ RECEPTORY:
vazba antagonistického a agonistického ligandu
Antagonisté:
vazba bez
transaktivace
PCB jako endokrinní disruptory (příklad
působení cizorodých látek více mechanismy)
 Koplanární PCB: induktory AhR
(“dioxin-like compounds“);
efekty také na thyroidní funkce (kompetitivní
vazba na thyroid-binding protein);
antiestrogenita (suprese ER-dependentní
genové exprese;
indukce hydroxylace (inaktivace) estradiolu
 Nekoplanární PCB:
nízkomolekulární kongenery mají
estrogenní aktivitu (aktivace ER);
prevalentní výšechlorované PCB jsou
antiestrogenní a antiandrogenní (ER, AR);
vazba na thyroid-binding protein;
vazba na RyR (disrupce Ca2+ signálování
= neurotoxicita)
Vliv cizorodých látek na energetický
metabolismus (metabolismus cukrů a lipidů)
Neurotoxicita
Cytotoxicita xenobiotik studovaná v nervových buňkách
Inhibice acetylcholinesteráz (např. karbamáty, organofosfáty, ..)
Modulace uvolňování dopaminu; efekty na další signalizaci
pomocí neurotransmiterů (efekty na cholinergní receptory apod.)
Interakce s ryanodinovým receptorem (RyR) – deregulace Ca2+
koncentrací = modulace Ca 2+-dependentní enzymů
Poruchy diferenciace a růstu nervové tkáně (inhibice GJIC, další
interakce, např. s TR); komplexněji lze sledovat efekty xenobiotik
jako developmentální neurotoxicitu v modelech in vitro;
Neurotoxicita – inhibice AChE
zdroj: http://www.atsdr.cdc.gov/csem/csem.asp?csem=11&po=5
Neuroscience. 2nd edition.
Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., editors.
Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2001.
NEUROTOXICITA: interakce s RyR
a modulace cytosolového Ca2+
Lesiak et al. J. Neurosci. 2014;34:717-725
PCB 95 exposure sensitizes RyR1 and RyR2 to increase release of internal Ca2+
stores.
Increased cytoplasmic Ca2+
triggers phosphorylation of CREB, stimulating CREB-dependent
transcription. CREB activation increases transcription of miR132, a transcriptional repressor
that suppresses p250GAP translation. The decreased translation of p250GAP effectively
releases inhibition on Rac1 activity to increase synaptogenesis.
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 a jinými AhR agonisty)
Poruchy indukce protilátkové odpovědi a další
mechanismy
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE – základní
koncept:
Mnohastupňový proces vývoje rakoviny, komplexní interakce
genetických, genotoxických a epigenetických (negenotoxických) faktorů.
Základní fáze karcinogeneze:
1) iniciace (akumulace mutací v určitých skupinách genů);
2) promoce (epigenetické změny – změny genové exprese,
především změněný statut metylace DNA a acetylace histonů; ovlivnění
přenosu signálů regulujících bun. cyklus, proliferaci, diferenciaci a
apoptózu; inhibice mezibuněčných spojení GJIC, AJ)
3) progrese, metastáze (další změny genové exprese, genetická
instabilita a chromosomová instabilita)
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
Cizorodé látky mohou ovlivňovat všechny uvedené procesy
Chemická karcinogeneze
- mutace v genu RAS
- mutace v genu TP53
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, např. PCB, dioxiny);
pracovní prostředí (PAHs, chemické výroby, cytostatika aj.)
(PRE)KLINICKÉ EFEKTY
chromos. aberace, genové mutace, aktivace onkogenů, inaktivace tumor.
supresor. genů
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 zahrnuje mutace genů DNA
repair, onkogenů (ras, myc aj.) a tumor-supresorových genů
(např. p53) - genů kontrolujících buněčný cyklus a proliferaci
(PAHs, nitro-PAHs, NNK aj. nitrososloučeniny)
NEGENOTOXICKÉ KARCINOGENY modulují signální transdukci
a gen. expresi - pozměněna proliferace a diferenciace, inhibována
apoptóza a mezibuněčná komunikace; 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
aktivaci chemických karcinogenů
Mechanismy negenotoxických procesů
spojených s karcinogenezí
aktivace nebo suprese transkripčních faktorů (AhR, NF-kB,..),
„klasické“ epigenetické mechanismy (de-methylace DNA nebo
acetylace/deacetylace histonů);
aktivace intracelulární signální transdukce (ERK1/2, ...);
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
Základní mechanismy nádorové promoce
- mitogenní efekt, zvýšení buněčné proliferace, vyvázání z kontaktní inhibice
růstu (role onkogenů a inaktivace tumorových supresorů);
- interference s transdukčními signály, které kontrolují normální buněčný
růst a diferenciaci (aktivace EGFR/ErbB2-ras-ERK, aktivace protein kinázy
C, 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, přechod z epiteliálního na mesenchymální fenotyp buňky;
Přežívání a transformace buněk = komplexní mnohastupňový proces iniciace a
promočních mechanismů – de/diferenciace, angiogeneze, ...); výsledek změn v
genové expresi, na povrchu buňky, intracel. signalizace aj.
Aktivace buň. proliferace
velmi časté
mutace =
chronická
aktivace
proliferačních
drah
Mechanismy negenotoxických procesů
Forbol-myristátacetát = PMA, TPA (modelový tumorový
promotor)
chemická aktivace proteinkináz C a ERK1/2:
- hyperfosforylace Cx, inhibice GJIC
- mitogenní efekty
DISRUPCE MEZIBUNĚČNÝCH SPOJENÍ –
VEDE K NÁDOROVÉ PROMOCI, INVAZIVITĚ A
TVORBĚ METASTÁZ
Intercelulární spojení GJIC
(“gap junction intercellular communication“)
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.)
Disrupce adherentních spojů
(adherens junctions)
biosensor
density,
kontaktu
buněk,
kontrola bun.
proliferace
Disrupce adherentních spojů vede ke změně
fenotypu buňky
Markery EMT:
E-kadherin
N-kadherin
Vimentin
Chemoprotektivní látky
snižují riziko karcinogeneze různými mechanismy
účinku (inhibice enzymů, antioxidační efekty)
přírodní (směsi i individuální chemické látky) nebo
syntetického původu
příklady chemoprotektivních sloučenin: dietární
flavonoidy / glykosidy flavonoidů (antioxidanty,
antiestrogeny, modulátory CYP enzymů aj.)
Induktory / inhibitory 1. a 2. Fáze
biotransformace
XRE ARE
Mechanismy protektivních vlastností
resveratrolu
aktivační vlastnosti RES
protizánětlivá aktivita RES