Прогноз вероятных негативных эффектов, инициированных трансформацией протеомного профиля плазмы крови человека при комбинированном воздействии химических веществ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Введение. Исследование механизмов внешнесредового воздействия химических веществ на организм человека с помощью высокоинформативных технологий протеомного профилирования позволяет прогнозировать развитие негативных эффектов на самой ранней стадии их формирования. В сочетании с экспериментальными исследованиями, исключающими влияние мешающих факторов, повышается точность идентификации изменений белкового профиля. Оценка причинно-следственных связей воздействия химических веществ с преобразованием белков повышает эффективность прогноза и мер профилактики негативных последствий.

Цель исследования — прогноз вероятных негативных эффектов, инициированных трансформацией протеомного профиля плазмы крови при комбинированном воздействии химических веществ, на основе биоинформационных матриц по результатам сопоставительного анализа натурных и экспериментальных исследований (на примере оксида алюминия, фторида водорода и бенз(а)пирена).

Материалы и методы. Методами химико-аналитического, статистического, протеомного и биоинформационного анализа проведено распознавание молекулярно-клеточных событий у детей 4–7 лет, подвергающихся аэрогенной экспозиции бенз(а)пиреном, фторидом водорода и оксидом алюминия (натурные исследования). В ходе сопоставительного анализа проведена верификация полученных результатов данными экспериментальных исследований (крысы линии Wistar), подвергающихся комбинированной и изолированной ингаляционной экспозиции в дозах, эквивалентных реальным. Выделены тождественные белки и построена биоинформационная матрица, на основе которой с использованием общепризнанных баз метаданных выполнен прогноз вероятных негативных эффектов.

Результаты. В результате натурных исследований установлено, что у детей, экспонированных бенз(а)пиреном на уровне до 2,2 ПДКс.г. (до 2,2 RfC), оксидом алюминия и фторидом водорода до 0,3 ПДКс.г. (до 0,1 RfC), концентрации изучаемых веществ в биосредах в 2–3,6 раза превышали показатели сравнения и референтные уровни. В эксперименте у экспонированных животных содержание данных контаминантов в биосредах до 19,4 раза превышало показатели контроля. У детей выявлено 22 белка, соответствующих библиотечным масс-спектрам, у животных — 40 белков. При сопоставительном анализе белков, идентифицированных в плазме крови детей и крыс, выделены аполипопротеин A-I и транстиретин, оценённые как «тождественные». Экспрессия данных белков увеличивается с повышением концентрации изучаемых веществ в биосредах. Согласно информации из баз данных, повышенная экспрессия аполипопротеина A-I и транстиретина сигнализирует об увеличении риска возникновения окислительного стресса, нарушения метаболизма липидов и развития воспалительных процессов. Построена биоинформационная матрица, позволившая прогнозировать метаболические нарушения, преимущественно в тканях нервной и гепатобилиарной систем.

Ограничения исследования. Проведённое исследование не позволяет сделать окончательных выводов о влиянии изучаемых веществ на изменение экспрессии белков и кодирующих их генов, поскольку рассмотрен только аэрогенный путь поступления.

Заключение. Установлена трансформация протеомного профиля плазмы крови в натурных исследованиях и экспериментально верифицированная при хроническом ингаляционном воздействии оксида алюминия, фторида водорода и бенз(а)пирена. При сопоставительном анализе идентифицированных белков выявлено два тождественных — аполипопротеин A-I и транстиретин. Построена биоинформационная матрица и выполнен прогноз развития негативных эффектов в виде активации окислительных процессов, дисметаболизма липидов и воспаления, метаболический путь которых связан с изменением экспрессии данных белков. При отсутствии мер профилактики это может обусловить в старшем возрастном периоде развитие атеросклероза, гипертонии, ожирения, амилоидоза, гипертиреоза и др. Использование структурных биоинформационных матриц в качестве инструмента прогноза в гигиенических исследованиях повышает эффективность мер направленной профилактики негативных последствий при внешнесредовом воздействии химических веществ.

Соблюдение этических стандартов. Экспериментальные исследования на биологической модели проведены с соблюдением требований Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных или в иных научных целях (ETS № 123). Обследование детей выполнено с соблюдением этических принципов Хельсинкской декларации (2013 г.). Исследования одобрены Комитетом по биомедицинской этике ФБУН «ФНЦ МПТ УРЗН» (протокол заседания № 1 от 4.02.2021 г.).

Участие авторов:
Зайцева Н.В. — редактирование;
Землянова М.А. — концепция и дизайн исследования, редактирование;
Пескова Е.В. — концепция и дизайн исследования, сбор данных литературы, статистическая обработка материала, написание текста.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование выполнено за счёт средств Федерального бюджета.

Поступила: 16.02.2024 / Поступила после доработки: 13.03.2024 / Принята к печати: 09.04.2024 / Опубликована: 17.06.2024

 

Об авторах

Нина Владимировна Зайцева

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГБУ «Российская академия наук»

Автор, ответственный за переписку.
Email: znv@fcrisk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2356-1145

Академик РАН, доктор мед. наук, профессор, науч. руководитель ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь, Россия.

e-mail: znv@fcrisk.ru

Россия

Марина Александровна Землянова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Email: zem@fcrisk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8013-9613

Доктор мед. наук, доцент, зав. отд. биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь

e-mail: zem@fcrisk.ru

Россия

Екатерина Владимировна Пескова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: peskova@fcrisk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8050-3059

Мл. науч. сотр. отд. биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», аспирант ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь

e-mail: peskova@fcrisk.ru

Россия

Список литературы

  1. Skinner M.K. Environmental epigenomics and disease susceptibility. EMBO Rep. 2011; 12(7): 620–2. https://doi.org/10.1038/embor.2011.125
  2. Rappaport S.M. Discovering environmental causes of disease. J. Epidemiol. Community Health. 2012; 66(2): 99–102. https://doi.org/10.1136/jech-2011-200726
  3. Cote I., Andersen M.E., Ankley G.T., Barone S., Birnbaum L.S., Boekelheide K., et al. The next generation of risk assessment multi-year study-highlights of findings, applications to risk assessment, and future directions. Environ. Health Perspect. 2016; 124(11): 1671–82. https://doi.org/10.1289/EHP233
  4. Sturla S.J., Boobis A.R., FitzGerald R.E., Hoeng J., Kavlock R.J., Schirmer K., et al. Systems toxicology: from basic research to risk assessment. Chem. Res. Toxicol. 2014; 27(3): 314–29. https://doi.org/10.1021/tx400410s
  5. Brockmeier E.K., Hodges G., Hutchinson T.H., Butler E., Hecker M., Tollefsen K.E., et al. The role of omics in the application of adverse outcome pathways for chemical risk assessment. Toxicol. Sci. 2017; 158(2): 252–62. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfx097
  6. Ankley G.T., Bennett R.S., Erickson R.J., Hoff D.J., Hornung M.W., Johnson R.D., et al. Adverse outcome pathways: a conceptual framework to support ecotoxicology research and risk assessment. Environ. Toxicol. Chem. 2010; 29(3): 730–41. https://doi.org/10.1002/etc.34
  7. Villeneuve D.L., Crump D., Garcia-Reyero N., Hecker M., Hutchinson T.H., LaLone C.A., et al. Adverse outcome pathway (AOP) development I: strategies and principles. Toxicol. Sci. 2014; 142(2): 312–20. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfu199
  8. Зайцева Н.В., Землянова М.А., Долгих О.В. Геномные, транскриптомные и протеомные технологии как современный инструмент диагностики нарушений здоровья, ассоциированных с воздействием факторов окружающей среды. Гигиена и санитария. 2020; 99(1): 6–12. https://doi.org/10.33029/0016-9900-2020-99-1-6-12 https://elibrary.ru/pipsea
  9. Anderson N.L., Anderson N.G. The human plasma proteome: history, character, and diagnostic prospects. Mol. Cell Proteomics. 2002; 1(11): 845–67. https://doi.org/10.1074/mcp.r200007-mcp200
  10. Corzett T.H., Fodor I.K., Choi M.W., Walsworth V.L., Turteltaub K.W., McCutchen-Maloney S.L., et al. Statistical analysis of variation in the human plasma proteome. J. Biomed. Biotechnol. 2010; 2010: 258494. https://doi.org/10.1155/2010/258494
  11. Hilton I.B., Gersbach C.A. Enabling functional genomics with genome engineering. Genome Res. 2015; 25(10): 1442–55. https://doi.org/10.1101/gr.190124.115
  12. Соседова Л.М., Филиппова Т.М. Роль биомоделирования в системе химической безопасности человека. Экология человека. 2017; (7): 46–52. https://doi.org/10.33396/1728-0869-2017-7-46-52 https://elibrary.ru/yunopd
  13. Тиц Н.У. Клиническое руководство по лабораторным тестам. Пер. с англ. М.: ЮНИМЕД-пресс; 2003. https://elibrary.ru/qlezrb
  14. Гланц С. Медико-биологическая статистика. Пер. с англ. М.: Практика; 1998.
  15. Blum H., Beier H., Gross H.J. Improved silver staining of plant proteins, RNA and DNA in polyacrylamide gels. Electrophoresis. 1987; 8(2): 93–9. https://doi.org/10.1002/elps.1150080203
  16. Shevchenko A., Wilm M., Vorm O., Mann M. Mass spectrometric sequencing of proteins silver-stained polyacrylamide gels. Anal. Chem. 1996; 68(5): 850–8. https://doi.org/10.1021/ac950914h
  17. Halley P., Kadakkuzha B.M., Faghihi M.A., Magistri M., Zeier Z., Khorkova O., et al. Regulation of the apolipoprotein gene cluster by a long noncoding RNA. Cell Rep. 2014; 6(1): 222–30. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2013.12.015
  18. Cooke A.L., Morris J., Melchior J.T., Street S.E., Jerome W.G., Huang, R., et al. A thumbwheel mechanism for APOA1 activation of LCAT activity in HDL. J. Lipid. Res. 2018; 59(7): 1244–55. https://doi.org/10.1194/jlr.M085332
  19. Guo Q., Zhang C., Wang Y. Overexpression of apolipoprotein A-I alleviates endoplasmic reticulum stress in hepatocytes. Lipids Health Dis. 2017; 16(1): 105. https://doi.org/10.1186/s12944-017-0497-3
  20. Kontush A., Chapman M.J. Functionally defective high-density lipoprotein: a new therapeutic target at the crossroads of dyslipidemia, inflammation, and atherosclerosis. Pharmacol. Rev. 2006; 58(3): 342–74. https://doi.org/10.1124/pr.58.3.1
  21. Tani S., Takahashi A., Nagao K., Hirayama A. Contribution of apolipoprotein A-I to the reduction in high-sensitivity C-reactive protein levels by different statins: comparative study of pitavastatin and atorvastatin. Heart Vessels. 2015; 30(6): 762–70. https://doi.org/10.1007/s00380-014-0554-z
  22. Li X., Buxbaum J.N. Transthyretin and the brain re-visited: is neuronal synthesis of transthyretin protective in Alzheimer’s disease? Mol. Neurodegener. 2011; 6: 79. https://doi.org/10.1186/1750-1326-6-79
  23. Li X., Masliah E., Reixach N., Buxbaum J.N. Neuronal production of transthyretin in human and murine Alzheimer’s disease: is it protective? J. Neurosci. 2011; 31(35): 12483–90. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2417-11.2011
  24. Martinho A., Gonçalves I., Costa M., Santos C.R. Stress and glucocorticoids increase transthyretin expression in rat choroid plexus via mineralocorticoid and glucocorticoid receptors. J. Mol. Neurosci. 2012; 48(1): 1–13. https://doi.org/10.1007/s12031-012-9715-7
  25. Wieczorek E., Ożyhar A. Transthyretin: from structural stability to osteoarticular and cardiovascular diseases. Cells. 2021; 10(7): 1768. https://doi.org/10.3390/cells10071768
  26. Navab M., Hama S.Y., Cooke C.J., Anantharamaiah G.M., Chaddha M., Jin L., et al. Normal high density lipoprotein inhibits three steps in the formation of mildly oxidized low density lipoprotein: step 1. J. Lipid. Res. 2000; 41(9): 1481–94.
  27. Liz M.A., Gomes C.M., Saraiva M.J., Sousa M.M. ApoA-I cleaved by transthyretin has reduced ability to promote cholesterol efflux and increased amyloidogenicity. J. Lipid. Res. 2007; 48(11): 2385–95. https://doi.org/10.1194/jlr.M700158-JLR200
  28. Exley C. Human exposure to aluminium. Environ. Sci. Process Impacts. 2013; 15(10): 1807–16. https://doi.org/10.1039/c3em00374d
  29. Yuan C.Y., Lee Y.J., Hsu G.S. Aluminum overload increases oxidative stress in four functional brain areas of neonatal rats. J. Biomed. Sci. 2012; 19(1): 51. https://doi.org/10.1186/1423-0127-19-51
  30. Guney M., Oral B., Karahan N., Mungan T. Protective effect of caffeic acid phenethyl ester (CAPE) on fluoride-induced oxidative stress and apoptosis in rat endometrium. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2007; 24(2): 86–91. https://doi.org/10.1016/j.etap.2007.01.005
  31. Guth S., Hüser S., Roth A., Degen G., Diel P., Edlund K., et al. Toxicity of fluoride: critical evaluation of evidence for human developmental neurotoxicity in epidemiological studies, animal experiments and in vitro analyses. Arch. Toxicol. 2020; 94(5): 1375–415. https://doi.org/10.1007/s00204-020-02725-2
  32. Duan J., Chen C., Li H., Ju G., Gao A., Sun Y., et al. Multifaceted protective effects of hesperidin by aromatic hydrocarbon receptor in endothelial cell injury induced by benzo[a]pyrene. Nutrients. 2022; 14(3): 574. https://doi.org/10.3390/nu14030574
  33. Ranjit S., Midde N.M., Sinha N., Patters B.J., Rahman M.A., Cory T.J., et al. Effect of polyaryl hydrocarbons on cytotoxicity in monocytic cells: potential role of cytochromes P450 and oxidative stress pathways. PLoS One. 2016; 11(9): e0163827. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0163827

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Зайцева Н.В., Землянова М.А., Пескова Е.В., 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 37884 от 02.10.2009.