Ksenobiotiki in epigenetske spremembe

Kar nekaj okoljskih faktorjev je povezanih z abnormalnimi epigenetskimi spremembami, ki so jih odkrili z eksperimenti in epidemiološkimi raziskavami. Določeni epigenetski mehanizmi so se razvili zaradi izpostavljenosti toksinom in določenim kemikalijam. Ne glede nato, da je v zadnjem času veliko študij v povezavi z epigenetskimi spremembami, še vedno ni jasno delovanje nekaterih mehanizmov. razlog je, da so epigenetske spremembe majhne, skoncentrirane na določenih mestih in se lahko razvijejo čez določen čas, kar pa zaplete določanje vzroka oziroma povzročitelja spremembe [1].

KSENOBIOTIKI

Ksenobiotiki so kemijske spojine, ki jih je sintetiziral človek, organizmom pa so le-ti tuji. Med ksenobiotike spadajo pesticidi, prehranski dodatki, zdravila in industrijski polutanti. Najdemo jih v hrani, embalaži, v zraku, vodi, kozmetičnih sredstvih, čistilih,… Večina ksenobiotikov je slabo topnih v vodi, saj gre predvsem za organske spojine. Ksenobiotiki se akumulirajo predvsem v maščevju, lahko tudi v možganih. So vzrok za različna kronična obolenja kot so migrena, kronična utrujenost, slabost, rak, nevrodegenerativne bolezni.

V telo najpogosteje preidejo skozi prebavni trakt, lahko tudi skozi respiratorni sistem, kožo ali sluznico. Iz telesa se jih največ izloči z ureo (sečnino), z znojem in z izdihanim zrakom. Skozi celično membrano prehajajo le nepolarne spojine, zato ledvice učinkovito izločajo le vodotopne spojine, snovi, ki pa niso topne vodi pa se v obliki primarnega urina reabsorbirajo nazaj v krvni obtok. Če bi želeli, da se ksenobiotiki popolnoma izločijo iz telesa, bi morali le-ti biti polarni. Ksenobiotiki, ki vstopijo v krvni obtok iz prebavnega trakta, pridejo po portalni veni [2] v jetra, kjer se pretvorijo v bolj polarno obliko.

PREGLED EPIGENETSKIH MEHANIZMOV

Epigenetika je študija v epigenetskih spremembah v izražanju genov, ki se pojavijo brez sprememb v DNA zaporedju. Vključuje številne mehanizme, kot so metilacija DNA, modifikacije histonov in ekspresija miRNA. Mehanizmi so fleksibilni genomski parametri, ki lahko spremenijo funkcijo genoma pod vplivom ksenobiotikov, le-ti pa se prenašajo iz generacije v generacijo.

Metilacija DNA

Od vseh epigenetskih mehanizmov, je še najbolje raziskovana metilacija DNA. Metilna skupina se doda na peti ogljik citozina v CpG (citozinski nukleotid zraven gvaninskega) dinukleotidu. CpG dinukleotid je redko prisoten in še takrat v metilirani obliki v genomu sesalcev. Kjer pa se regije genskega promotorja prekrivajo s CpG, je le-ta v nemetilirani obliki. Metilacija citozina ima regulacijsko vlogo. Metilna skupina 5-metilcitozina inhibira transkripcijo in utiša gen. Metilacija DNA deluje kot umestitveno mesto za vezavne proteine, ki jih uravnavajo drugi kromatinski preoblikovalni proteini. Sprememba metilacije na teh mestih je tako prepoznana. Tako hipermetilacija kot hipometilacija DNA sta lahko posledici izpostavljanja eksogenim kemikalijam. DNA metilacija je katalizirana z družino DNA metiltransferaznih encimov (DNMT). Pri sesalcih obstajajo trije znani encimi: DNMT1, DNMT3A in DNMT3B.

Modifikacije histonov

Histoni so globularni proteini, ki skupaj z DNA tvorijo strukturne enote kromatina imenovane nukleosomi. Ti proteini vplivajo na kondenzacijo kromatina med fazo prepisovanja genov. Lahko so modificirani z acetilacijo, metilacijo, fostorilacijo, glikozilacijo, sumolacijo ali ADP ribozilacijo. Najpogostejši modifikaciji sta acetilacija in metilacija lizinskih ostankov v amino koncu H3 in H4. Metilacija histonov je povezana z represijo ali aktivacijo transktripcije, ta pa je odvisna od lokacije lizinskih ostankov.

Ekspresija miRNA

miRNA je enoverižna ribonukleinska kislina sestavljena iz 21 so 23 nukleotidov. Zrela miRNA je delno komplementarna eni ali večim mRNA molekulam. Glavna funkcija miRNA v povezavi z mRNA je zmanjševanje ekspresije genov.

EPIGENETIKA IN OKOLJE

Epigenetika je temeljna za razumevanje molekulskega mehanizma okoljskih toksinov, prav tako kot napovedovanju tveganja ob izpostavljenosti okolju in individualno dovzetnost. Po podatkih svetovne zdravstvene organizacije WHO (World Health Organization) je več kot 13 milijonov smrti letno povzročenih zaradi okoljskih dejavnikov in kar 24 % bolezni povzročenih zaradi izpostavljenosti okolju bi lahko preprečili. Med okoljske dejavnike štejemo tudi ksenobiotike. Mednje sodijo kovine, fitoestrogeni, policiklični aromatski ogljikovodiki, dioksinske spojine, polikloro bifenili, ftalati in pesticidi, motilci endokrinega sistema, RDX, bisfenol A,… Ljudje z genskimi polimorfizmi, kateri naredijo njihove celice manj sposobne za odgovor na oksidativni stres so bili spoznani za bolj dovzetne do kardiovaskularnih in respiratornih efektov zaradi onesnaženja zraka. To producira zdravstvene težave, še posebaj v tistih delih telesa, kjer se generira oksidativni stres.

KOVINE

Več študij je pokazalo povezavo z DNA metilacijo in okoljskimi kovinami, kot so nikelj, kadmij, živo srebro in še posebej arzen.

Kadmij

Kadmij je rahlo bazična dvovalentna prehodna kovina. Je modrikasto bele barve in je strupena. Je sestavni del baterij, televizorjev, najdeno pa ga tudi v PVC, kjer deluje kot stabilizator. Sodi med težke kovine in vpliva na DNA metilacijo. Znano je, da kadmij povzroči hipometilacjo DNA v jetrnih celicah po enem tednu izpostavljenosti. Po desetih tednih povzroči hipermetilacijo DNA jeternih celic.

Nikelj

Nikelj v periodnem sistemu najdemo med prehodnimi elementi. Je srebrnkasto bela lesketajoča kovina. Ima feromagnetne lastnosti. Uporabljajo ga za prekrivanje manjših kovancev, saj prekriva medenino in železo. Povezava niklja in zdravja ljudi, kateri so zboleli za rakom in kardiorespiratornimi boleznimi še dandanes ni pojasnjena. Znano je, da nikelj lahko zamenja magnezij pri DNA interakciji, povečani kondenzaciji kromatina in sprožanju de-novo DNA metilaciji. Lahko vpliva tudi na modifikacijo histonov. Izpostavljenost topnemu NiCl2 zmanjša atecilacijo histonov, poveča pa demetilacijo H3K9 in poveča monoubikvitinacijo H2A in H2B in vitro. Domnevajo, da vezava Ni2+ ionov omogoča sekundarno strukturo s stranskimi verigami N-terminalnega repa histona H4.

Krom

Krom sodi med prehodne kovine. Je sive sijoče barve in je trden, ki se težko spaja. Krom je odporen proti koroziji in potemnitvi. Krom je prisoten v telesu. njegovo pomankanje povezujejo z zmanjševanjem glukozne tolerance, zvišano vsebnostjo trigliceridov in celotnega holesterola v krvi in zvišanimi vrednostmi krvnega sladkorja. To je še posebaj pomembno pri skupini ljudi kot so nosečnice, starejši ljudje, diabetiki in podhranjeni otroci. Koncentracija kroma v tkivu se zmanjšuje s starostjo. Naprej se pogosteje pojavlja pri starejših osebah glukozna intoleranca, diabetes, hiperlipidemija in arterioskleroza. Najverjetneje starejši organizem ni več sposoben sintetizirati zadosti GTF-ja iz razpoložljivega kroma. Epigenetski efekti kroma so še vedno zelo slabo pojasnjeni.

Arzen

Alenka

Živo srebro

Živo srebro je edina kovina, ki je pri sobni temperaturi v tekočem agregatnem stanju. Ima tri oksidacijska stanja (elementarno, enovaletno in dvovalentno živo srebro). Organski obliki živega srebra (metil živo srebro – CH3Hg in dimetil živo srebro – (CH3)2Hg) nastaneta iz anorganske, kar se dogaja med tehnološkimi procesi v kemični industriji, lahko pa tudi spontano v naravi z metilacijo (mikroorganizmi) [3].

Različne oblike živega srebra se uporabljajo v merilnih instrumentih (termometri in barometri), pri izdelavi baterij, pri pridobivanju klora, zlata, v rudarstvu, v zobozdravstvu (izdelava plomb iz amalgama) itd. Živo srebro so včasih uporabljali tudi za zdravljenje sifilisa, saj so menili, da učinkuje šele takrat, ko se razvijejo znaki zastrupitve. Kasneje so ga zamenjali za arzenske preparate (salvazan) [4].

Onesnaženost okolja povzroči pretvorba anorganskega živega srebra v organsko obliko, slednja pa posledično zastrupitev ljudi. Organski obliki sta slabo topni v vodi, dobro pa se topita v lipidih, zato se organski obliki živega srebra akumulirata predvsem v maščevju in tako vplivata na možgane in živčni sistem.

Neželeni učinki živega srebra so insomnija, slabost, glavobol, izguba spomina in apetita, mravljince v okončinah, motnje v hoji,… Najbolj občutljiv je zarodek, saj lahko metilirano živo srebro preide v placento in povzroči nepravilen razvoj žičevja. Dojenčki, ki uživajo materino mleko, ki vsebuje živo srebro lahko oslepijo, umsko zaostanejo, imajo onemogočen govor, nepravilno razvito živčevje in prebavni trakt ter poškodbe ledvic [4].

ONESNAŽENJE OKOLJA

Izpostavljenost onesnaženemu zraku so povezovali z povečanim številom smrti zaradi kardiorespiratornih bolezni, prav tako pa tudi s tveganjem za obolelostjo za pljučnim rakom. Preiskovali so tudi v DNA metilaciji inducirane z manjšo vsebnostjo benzena v krvi pri zaposlenih na bencinskih črpalkah in prometnikih. Visoka vsebnost benzena v krvi je povezana za obolelostjo za levkemijo.

Ftalati

BisfenolA

Benzen

Benzen je aromatski ogljikovodik, ki je brezbarven. Je zelo vnetljiv in dobro raztaplja smole, maščobe, jod in naftalen. Pridobivamo ga iz premogovega katrana, nafte ali sintetično. Zaradi njegove karcinogenosti je njegova uporaba omejena. Uporablja se predvsem kot dodatek k gorivu (bencinu). Benzen z dihanjem prehaja v kosti in povzroča anemijo ter zmanjšuje število belih krvnih celic. Benzen iz zraka povezujejo z hipermetilacijo v p15 in hipometilacijo MAGE-1 (melanoma antigen-1), ki je rakov antigen. Ta spoznanja so pokazala, da izpostavljenost nizki koncentraciji benzena lahko inducira spremenjeno DNA metilacijo, kar pa sproži nenormalne epigenetske vzorce, najdene pri malignih celicah.

Heksa-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazen (RDX)

RDX je eksploziven nitroamin, ki je široko zastopan v vojski in industriji. Znan je tudi pod imenom T4. Je pogost okoljski pulant, ki je posledica vojaških in civilnih aktivnosti. Povezujejo ga z nevrotoksičnostjo, imunotoksičnosjo in povečanim tveganjem za obolelostjo za rakom.

MOTILCI ENDOKRINEGA SISTEMA

Endokrini sistem

Endokrini sistem sestavljajo žleze, le-te pa izločajo hormone. Hormone izločajo endokrino v kri. Hormoni krožijo po telesu po krvožilnem sistemu in vplivajo na delovanje oddaljenih organov. Hormoni se vežejo na tarčne celice in spremenijo delovanje celic oziroma organov. Glavne žleze endokrinega sistema so hipotalamus, hipofiza, ščitnica, obščitnične žleze, Langerhansovi otočki trebušne slinavke, nadledvične žleze, testisi in ovariji, med nosečnostjo pa še posteljica.

Motnja endokrinega sistema je posledica delovanja endokrinega motilca. Ti motilci so eksogena substanca ali mešanica substanc, ki spremenijo delovanje endokrinega sistema, kar sproži različne učinke na organizmu pri določeni stopnji izpostavljenosti. Večina le-teh vpliva na reproduktivne organe, lahko tudi na vse organe, edini pogoj pa je, da imajo ti organi receptorje zanje. Ti organi so jetra, ledvice, centralni živčni sistem, imunski sistem, kosti.

Mehanizmi motilcev endokrinega sistema

Poznamo več mehanizmov motilcev, ki negativno delujejo na endokrini sistem kot so interakcije s hormoni, interakcije na nivoju receptorjev in blokada receptorjev.

Interakcije s hormoni: ksenobiotiki vplivajo na sintezo hormonov. Sem vključujemo sproščanje, transport, metabolizem, izločanje in učinkovanje hormonov.

Interakcije na nivoju receptorjev: to so snovi, ki se vežejo na estrogenske receptorje in so kompetitivni antagonisti ali delni agonisti naravnega hormona. Sem spadajo fitoestrogeni (kumestrol, diadzein, genistein), zdravila (etinil, estradiol, tamoksifen) in industrijske snovi (DTT, p-nonilfenon, bisfenolA)

Blokada receptorjev: ksenobiotiki, ki se vežejo na androgenske receptorje in jih blokirajo. Sem spadajo metabolit DTT (vinclozolinski metabolit).

Spremembe ali posledice zaradi endokrinih motilcev v naravi opažajo že desetletja. Posledice so disfunkcije in bolezni moških spolnih organov kot posledica substanc, katerih delovanje je podobno estrogenu (zdravila, estrogeni v kravjem mleku, industrijske kemikalije), kopičenje kemikalij v živalskih telesih in reproduktivne motnje teh živali (neoplojena jajca in manjši penisi pri aligatorjih po industrijski nesreči na Floridi, kjer je insekticid dikofol onesnažil jezero) ter več ženskih potomcev pri nekaterih vrstah rib, dvoživk in galebov, ki se prehranjujejo z njimi.

Organizmi so v času razvoja zelo občutljivi na motnje v endokrinem sistemu, ki jih povzročijo kemikalije, le-te pa vplivajo na hormonsko aktivnost [6],[7].

Vrste endokrinih motilcev

Na endokrine motnje smo najbolj občutljivi v času živahne delitve celic, izoblikovanja specializiranih funkcij, v času migracije celic in razvoju organov, saj so to procesi, ki so regulirani preko hormonov. Seveda pa so spremembe odvisne tudi od same izpostavljenosti osebka. Pri endokrinih motilcih ločimo naravni in umetni izvor.

Naravnega izvora so fitoestrogeni. Ti so estrogenom podobne molekule, ki jih najdemo le v rastlinskem svetu. So nesteroidne molekule, ki se lahko vežejo na estrogenske receptorje. V telo jih vnesemo s hrano, prehajajo tudi placento, vsebuje jih lahko tudi materino mleko. Med fitoestrogene spadajo kumestani, derivat resorcinola ter za fiziološke učinke najpomembnejši lignani in izoflavonoidi. Veliko ga je v soji in njenih izdelkih, kjer najdemo izflavon, danzidein in genistein.

Umetni endokrini motilci so lahko zaželeni ali ne. Sem spadajo dodatki k prehrani in pesticidi. Poznamo kar nekaj industrijski endokrinih motilcev. To so ftalati, ki se uporabljajo široko v industriji umetnih mas, bisfenol A, ki se uporablja kot zaščita kovin in je zelo pomemben pri zobotehničnih posegih, uporablja pa se tudi kot notranja prevleka konzerv. Parabene najdemo v kozmetičnih preparatih kot konzervans in so estrogenski mimetiki. Umetni endokrini motilci so še alkilfenoli, PCB-ji in drugi.

Med endokrine motilce spadajo tudi prehranski dodatki, npr. butiliran hidroksianizol, ki se uporablja kot antioksidanti ter pesticidi (DDT, ki se uporablja kot insekticid; pri ljudeh so ugotovili proestrogenske in antiandrogenske učinke ter povečano tveganje za raka dojke in lindan, ki je prav tako insekticid in ga ponekod v manjši meri uporabljajo za zatiranje mravelj in deluje na človeka spermatoksično).

VIRI IN LITERATURA

1. A. Baccarelli and V. Bollati. Epigenetics and environmental chemicals, Current opinion in pediatrics, 2009, str. 243-251 [12. april 2011] [1]

2. Portalna vena, Wikipedija [12. april 2011] [2]

3. Živo srebro, Rudnik živega srebra Idrija [17. april 2011] [3]

4. Živo srebro, Endemski sifilis – škrljevska bolezen na slovenskem [17. april 2011] [4]

5. Živo srebro, Energijski center [17. april 2011] [5]

6. Endokrini disruptor, Wikipedija [12. april 2011] [6]

7. Endocrine disruption, TEDX – the endoctrine disruption exchange [14. april 2011] [7]

8. Krom, Sitis [18. april 2011] [8]

9. Kadmij, Wikipedija [18. april 2011] [9]

10. Benzen, Wikipedija [18. april 2011] [10]

11. Benzen, Brez cenzure [18. april 2011] [11]

12. Nikelj, Wikipedija [18. april 2011] [12]

13. Bollati V. et al. (2010, 105) Environmental epigenetics. Heredity, 105-112. [13]

14. Bombail V. et al. (2004, 149) Perturbation of epigenetic status by toxicants. Toxicology Letters, 51-58. [14]