Transport and reduction processes controlling the toxicity of arsenate  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
73228
Type K
Principal investigator Gregus, Zoltán
Title in Hungarian Az arzenát toxicitását meghatározó transzport és redukciós folyamatok
Title in English Transport and reduction processes controlling the toxicity of arsenate
Keywords in Hungarian arzén, toxifikálás, glutation, redukció, felszívódás, kiválasztás, máj, mitokondrium
Keywords in English arsenic, toxification, glutathione, reduction, absorption, excretion, liver, mitochondrion
Discipline
Experimental pharmacology, drug discovery and design (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent Institute of Pharmacology and Pharmacotherapy (University of Pécs)
Participants Csanaky, Iván László
Németi, Balázs
Poór, Miklós
Starting date 2008-09-01
Closing date 2014-03-31
Funding (in million HUF) 19.830
FTE (full time equivalent) 6.85
state closed project
Summary in Hungarian
Az arzén milliók egészségét veszélyezteti világszerte idült toxicitása és karcinogenitása miatt. Az arzén-okozta egészségkárosodáshoz vezető három toxikokinetikai folyamat mechanizmusát és befolyásolhatóságát kívánjuk elemezni. (1) Állatokon tanulmányozzuk, hogy a környezetben domináns arzenát (AsV) sejtekbe való bejutásában, felszívódásában és renális visszaszívódásában szerepet játszó Na-foszfát transzporterek expresszióját módosító hatások (étrendi foszfátbevitel, parathormon, FGF23) hogyan befolyásolják az a szervezet belső AsV-expozicióját és a toxikus trivalens metabolitok képződését AsV-ból. (2) Kutatjuk az AsV sokkal toxikusabb arzenitté történő redukciójának mechanizmusait. Eddig három arzenolitikus hasítást katalizáló enzimről igazoltuk, hogy képesek AsV-ot redukálni. Most ezek relatív fontosságát elemezzük májsejtekben. Feltételezzük, hogy AsV glutationt igénylő redukcióját elősegítheti minden arzenolitikus enzim, továbbá azon enzimek, amelyek az AsV-ot ADP-AsV-ba építik vagy a képzett ADP-AsV-ot használják, valamint a mitokondriumok intracristális terének speciális közege. E feltevéseket izolált enzimeken, intakt és permeabilizált mitokondriumokon végzett kísérletekkel teszteljük. (3) Vizsgáljuk a vizeletben domináns arzénmetabolit - a dimetilarzenát - 10,000-szer toxikusabb dimetilarzenitté történő redukciójának mechanizmusát, a katalizáló enzime(ke)t és a redukció befolyásolhatóságát in vivo. Pályázatunkat közölt eredményeinkre és előkísérleteinkre alapozzuk.
Summary
Arsenic is a health hazard to millions worldwide by its chronic toxicity and carcinogenicity. We plan to study the mechanisms and influencing factors of three toxicokinetic processes underlying arsenic-induced health impairment. (1) We investigate in animals how some factors (e.g., phosphate intake, parathyroid hormone, FGF23) that modify the expression of Na-phosphate transporters, which mediate the cellular uptake, absorption and renal reabsorption of the environmentally dominant arsenate (AsV), alter the inner exposure of the body to AsV and formation of toxic trivalent AsV metabolites. (2) We search for the mechanisms whereby AsV is reduced to the much more toxic arsenite. We have shown that three enzymes catalyzing arsenolytic cleavage can reduce AsV. Now we determine their relative importance in liver cells. It may be assumed that the glutathione-requiring reduction of AsV is facilitated by all arsenolytic enzymes, by enzymes that incorporate AsV into ADP-AsV, or use the so formed ADP-AsV, and by the special microenvironment within the mitochondrial intracristal space. We test these hypotheses in experiments on isolated enzymes and intact as well as permeabilized mitochondria. (3) We study the reduction of dimethylarsenate, the dominant urinary arsenic metabolite, to the 10,000 times more cytotoxic dimethylarsenite with respect to its mechanism, the enzyme(s) involved and in vivo responsiveness. This application is based on our published findings and pilot studies.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Vizsgáltuk az arzenát (AsV) és a dimetilarzenát (DMAsV) redukciójának mechanizmusát a sokkal toxikusabb arzenitté (AsIII), illetve dimetilarzenitté (DMAsIII). Megfigyeléseink: 1. Mindegyik vizsgált foszforolitikus enzim (purin-nukleozid-foszforiláz, gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz, glikogén-foszforiláz, ornitin-karbamoil-transzferáz, foszfotranszacetiláz, polinukleotid-foszforiláz és glutation-szintetáz) elősegíti az AsV redukcióját AsIII-té, ha foszforolitikus szubsztrátjuk, egy tiol (pl. glutation, GSH) és a foszfátot helyettesítő AsV jelen van. 2. Foszforolitikus enzimek azért segítik az AsV redukcióját, mert katalizálják szubsztrátjaik arzenolitikus hasítását, ezzel arzenilált metabolitot képeznek, amelyet tiolok jobban redukálnak AsIII-té, mint az AsV-ot. 3. AsV jelenlétében (foszfát helyett), mitokondriumok redukálják az AsV-ot AsIII-té, mivel ezen organellumok - ahelyett hogy foszforilálnák az ADP-t ATP-vé -, arzenilálják az ADP-t ADP-arzenáttá, amelyet a GSH jobban redukál AsIII-té, mint az AsV-ot. 4. A DMAsV redukciója DMAsIII-té pakányban követhető a vörösvértestekhez kötött DMA koncentrációjának mérésével, mivel a DMAsIII kovalensen kötődik a patkány hemoglobinjához. A patkány a DMAsV-t GSH-függő módon redukálja DMAsIII-té. 5. A patkánymáj-citoszól is GSH-függő módon redukálja a DMAsV-t DMAsIII-té. A DMAsV-redukáló enzim nem a tioredoxin-reduktáz. Eredményeink közül egyesek összeegyeztethetők a GSH-S-transzferáz-O szerepével a DMAsV redukciójában, mások nem.
Results in English
We have studied the mechanism of the reduction of arsenate (AsV) and dimethylarsinic acid (DMAsV) to the much more toxic arsenite (AsIII) and dimethylarsinous acid (DMAsIII), respectively. We found: 1. All phosphorolytic enzymes tested (purine nucleoside phosphorylase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, glycogen phosphorylase, ornithine carbamoyl transferase, phosphotransacetylase, polynucleotide phosphorylase and glutathione synthetase) mediates the reduction of AsV to AsIII in presence of their phosphorolytic substrates, a thiol (eg. glutathione, GSH), and AsV (substituting phosphate). 2. Phosphorolytic enzymes promote the reduction of AsV because they catalyze the arsenolytic cleavage of their substrate, thus forming an arsenylated metabolite which is more reducible to AsIII by thiols than AsV. 3. In presence of AsV (instead of phosphate), mitochondria reduce AsV to AsIII because these organelles, instead of phosphorylating ADP to ATP, arsenylate ADP to ADP-arsenate which is more reducible to AsIII by GSH than AsV. 4. Reduction of DMAsV to DMAsIII can be followed in rats by measuring the erythrocyte-bound DMA in blood, as DMAsIII binds to rat hemoglobin covalently. Rats reduce DMAsV to DMAsIII in a GSH dependent manner. 5. Rat liver cytosol also reduces DMAsV to DMAsIII in a GSH dependent manner. The DMAsV-reducing enzyme is not thioredoxin reductase. Some of our findings are compatible, whereas others are not, with role of GSH S-transferase-O in DMAsV reduction.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=73228
Decision
Yes





 

List of publications

  
Németi, B., and Gregus, Z.: Reduction of dimethylarsinic acid in rats liver cytosol – role of thioredoxin reductase., Toxicologist 138: 349, 2014
Gregus, Z., and Németi, B.: Reduction of dimethylarsenate to dimethylarsenite by rat liver cytosol: further characterization., Toxicologist 138: 350, 2014
Gregus, Z.: Mechanisms of toxicity., In: Klaassen, C.D. (ed.): Casarett and Doull's Toxicology. The Basic Science of Poisons. Eighth Edition. McGraw-Hill, Inc., New York, pp. 49-122, 2013
Németi, B., and Gregus, Z.: Mechanism of thiol-supported arsenate reduction mediated by phosphorolytic-arsenolytic enzymes. I. The role of arsenolysis, Toxicol. Sci. 110: 270-281, 2009
Németi, B., and Gregus, Z.: Glutathione-supported arsenate reduction coupled to arsenolysis catalyzed by ornithine carbamoyl transferase, Toxicol. Appl. Pharmacol. 239: 154-161, 2009
Gregus, Z., Roos, G., Geerlings, P., and Németi, B.: Mechanism of thiol-supported arsenate reduction mediated by phosphorolytic-arsenolytic enzymes. II. Enzymatic formation of arsenylated products susceptible for reduction, Toxicol. Sci. 110: 282-292, 2009
Németi, B., and Gregus, Z.: Az arzenát mitokondriális redukcióját arzenolitikus reakcióhoz kapcsoltan az ornitin-karbamoil-transzferáz is képes támogatni, A Magyar Toxikológusok Társaságának Konferenciája, Sopron, 2008
Gregus, Z., and Németi, B.: A bakteriális foszfotranszacetiláz is képes tiol-függő arzenát redukciót mediálni az enzim-katalizált arzenolitikus reakcióhoz kapcsoltan, A Magyar Toxikológusok Társaságának Konferenciája, Sopron, 2008
Gregus, Z., and Németi, B.: Foszforolitikus – arzenolitikus anzimek az arzenátot arzenitté redukálják, de hogyan?, A Magyar Toxikológusok Társaságának Konferenciája, Galyatető, 2009
Gregus, Z., Németi, B., and Tortora, P.: Polynucleotide phosphorylase (PNPase) and ATP synthase promote reduction of arsenate (AsV) by glutathione (GSH) via forming AMP-AsV and ADP-AsV, respectively, 49th Annual Meeting of the Society of Toxicology, Salt Lake City, UT; Tox. Sci. 114(S): 202, 2010
Németi, B., Regonesi, M.E., Tortora, P., and Gregus, Z.: Polynucleotide phosphorylase and mitochondrial ATP synthase mediate reduction of arsenate to the more toxic arsenite by forming arsenylated analogues of ADP and ATP, Toxicol. Sci. 117: 270-281, 2010
Németi, B., Regonesi, M.E., Tortora, P., and Gregus, Z.: The mechanism of the polynucleotide phosphorylase-catalyzed arsenolysis of ADP, Biochimie 93: 624-627, 2011
Németi, B., Anderson, M.E., and Gregus, Z.: Glutathione synthetase promotes the reduction of arsenate via arsenolysis of glutathione, Biochimie 94: 1327-1333, 2012
Németi, B., and Gregus, Z.:: Az arzenát redukciója a glutation-szintetáz közreműködésével, A Magyar Toxikológusok Társaságának Konferenciája, Sümeg, 2011
Gregus, Z., Németi, B., and Anderson, M.E.:: Glutathione synthetase (GS) promotes the reduction of arsenate (AsV) by glutathione (GSH) via arsenolysis of GSH, 51st Annual Meeting of the Society of Toxicology, San Francisco, CA; Toxicologist 126: 314, 2012
Németi, B., and Gregus, Z.:: Mechanism of arsenate reduction by phosphorolytic enzymes. I. The role of arsenolysis, 48th Annual Meeting of the Society of Toxicology, Baltimore, MD, 2009; Tox. Sci. 108(S): 368, 2009
Gregus, Z., Németi, B., and Roos, G.:: Mechanism of arsenate reduction by phosphorolytic enzymes. II. Reduction of the arsenylated products by thiols, 48th Annual Meeting of the Society of Toxicology, Baltimore, MD, 2009; Tox. Sci. 108(S): 368, 2009
Németi, B., Gregus, Z.: Reduction of dimethylarsinic acid to the highly toxic dimethylarsinous acid by rats and rat liver cytosol., Chem. Res. Toxicol. 26: 432-443, 2013
Németi, B., and Gregus, Z.: A dimetilarzenát redukciója szupertoxikus három vegyértékű származékká - a glutation és a glutation-s-transzferáz-omega szerepe., A Magyar Toxikológusok Társaságának Konferenciája, Hévíz, 2012
Gregus, Z., and Németi, B.: Reduction of dimethylarsenate to the supertoxic dimethylarsenite by rats and rat liver cytosol., 52nd Annual Meeting of the Society of Toxicology, San Antonio, TX, 2013; Toxicologist 132: 488, 2013
Németi, B., and Gregus, Z.: Mechanism of thiol-supported arsenate reduction mediated by phosphorolytic-arsenolytic enzymes. I. The role of arsenolysis, Toxicol. Sci. 110: 270-281, 2009
Németi, B., and Gregus, Z.: Glutathione-supported arsenate reduction coupled to arsenolysis catalyzed by ornithine carbamoyl transferase, Toxicol. Appl. Pharmacol. 239: 154-161, 2009
Gregus, Z., Roos, G., Geerlings, P., and Németi, B.: Mechanism of thiol-supported arsenate reduction mediated by phosphorolytic-arsenolytic enzymes. II. Enzymatic formation of arsenylated products susceptible for reduction, Toxicol. Sci. 110: 282-292, 2009
Németi, B., Regonesi, M.E., Tortora, P., and Gregus, Z.: Polynucleotide phosphorylase and mitochondrial ATP synthase mediate reduction of arsenate to the more toxic arsenite by forming arsenylated analogues of ADP and ATP, Toxicol. Sci. 117: 270-281, 2010
Németi, B., Regonesi, M.E., Tortora, P., and Gregus, Z.: The mechanism of the polynucleotide phosphorylase-catalyzed arsenolysis of ADP, Biochimie 93: 624-627, 2011
Németi, B., Anderson, M.E., and Gregus, Z.: Glutathione synthetase promotes the reduction of arsenate via arsenolysis of glutathione, Biochimie 94: 1327-1333, 2012
Németi, B., and Gregus, Z.: Reduction of dimethylarsinic acid to the highly toxic dimethylarsinous acid by rats and rat liver cytosol., Chem. Res. Toxicol. 26: 432-443, 2013




 

Events of the project

  
2013-09-26 14:10:06
Résztvevők változása



Back »