Analysis of the effects of endocrine disruptors on the expression of estrogen receptors and thyroid hormone receptors in the developing rat cerebellum.  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
130218
Type K
Principal investigator Bartha, Tibor
Title in Hungarian Endokrin diszruptorok ösztrogén- és pajzsmirigyhormon receptorok expressziójára kifejtett hatásainak vizsgálata fejlődő patkányok kisagysejtjeiben.
Title in English Analysis of the effects of endocrine disruptors on the expression of estrogen receptors and thyroid hormone receptors in the developing rat cerebellum.
Keywords in Hungarian fejlődő, kisagy, endokrin diszruptorok, ösztrogén, pajzsmirigy, receptor
Keywords in English developing, cerebellum, endocrine disruptors, estrogen, thyroid, receptor
Discipline
Veterinary sciences (Council of Complex Environmental Sciences)95 %
Animal physiology (Council of Complex Environmental Sciences)5 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Physiology and Biochemistry (University of Veterinary Medicine Budapest)
Participants Frenyó, Vilmos László
Győrffy, Andrea
Jócsák, Gergely
Kiss, Dávid Sándor
Somogyi, Virág
Tóth, István
Zsarnovszky, Attila
Starting date 2016-07-01
Closing date 2016-08-31
Funding (in million HUF) 3.251
FTE (full time equivalent) 0.48
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az ösztrogének (E2) és pajzsmirigyhormonok (PMH) meghatározó szerepet játszanak a kisagy fejlődésében. E hormonok E2- és PMH receptorokhoz (ER, PMHR) kapcsolódva hatnak, melyek transzkripciós faktorokként az idegi fejlődésben szerepet játszó specifikus géneket aktiválnak. Irodalmi adatok és saját kutatásaink afelé mutatnak, hogy az említett hormonok kölcsönösen hatnak saját- és egymás receptorainak expressziójára és ezáltal a saját- és egymás receptorai által mediált mechanizmusokra. Egyes környezeti anyagok a szervezetbe kerülve az endogén E2 és PMH agonistájaként vagy antagonistájaként hatnak (endokrin diszruptorok, ED). Hatásmechanizmusuk nem tisztázott, részben mert hatásuknak az agonista vagy antagonista jellege nem ismert, részben pedig mert csak korlátozott számú kísérleti modell alkalmas az ED hatások vizsgálatára. Több ED vegyület képes az ER és PMHR működését egyaránt befolyásolni.
Jelen pályázatunkban primer kisagyi sejtkultúrában, mint jól bevált, általunk továbbfejlesztett in vitro kísérleti modellben, fogjuk vizsgálni négy közismert, egészségügyileg és gazdasági szempontból egyaránt fontos ED (biszfenol A, zearalenon, az arzén és 4-methylbenzylidén kámfor) ER és PMHR mRNS és fehérjéik expressziójára kifejtett hatásait. Vizsgáljuk továbbá az egyidejűleg bekövetkező legalapvetőbb sejt-vitalitási paramétereket, úgymint neuronális plazmamembrán permeabilitást, laktát-dehidrogenáz felszabadulást, valamint mitogenezist és sejtproliferációt. A tervezett kísérletek eredményei rá fognak világítani az ED-hatásmechanizmus legfontosabb aspektusaira, valamint az alkalmazott ED vegyületek esetében a szervezetbe kerülésük idegfejlődéstani kockázataira is.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Munkánk három alapkérdésre keres választ:

1. Befolyásolják-e az ED-k az ERb, valamint a PMHRa,b kifejeződési szintjeit?
2. Szerepet játszik-e az ERb a PMHR-ek kifejeződési szintjének kialakításában, és szerepet játszanak-e a PMHRa,b az ERb kifejeződési szintjének kialakításában?
3. Befolyásolják-e a vizsgált ED-k a kisagyi szemcsesejtek vitalitási paramétereit, és ha igen, vajon az ERb és PMHRa,b mediálják-e ezen hatásokat?

Ad. 1. Az első kérdés tisztázása egyértelműen mutatja majd, vajon a vizsgált ED-k milyen irányú és mértékű befolyást gyakorolnak az ER-PMHR expresszióra, valamint arra is fény derül, hogy az egyes ED-k hasonló, vagy egymástól eltérő módon hatnak-e az említett hormonok receptorainak kifejeződésére.

Ad. 2. A második kérdés tisztázása várhatóan mélyebb betekintést enged az ERb és PMHR-ek expresszióját illető lehetséges interakciókba, továbbá arra is választ kapunk, hogy vajon a vizsgált ED-k az említett hormon receptorokon keresztül fejtik-e ki hormon receptor kifejeződést befolyásoló hatásukat.

Ad. 3. A harmadik kérdés tisztázása élettani és kórélettani relevanciát ad az eredményeinknek, rámutatva, hogy az adott hormonok és ED-k különböző kombinációi hogyan alakítják az idegsejtek vizsgált vitalitási paramétereit. Ezzel együtt természetesen megmutatkozik majd a vizsgált ED-k potenciálisan káros hatása, és a többi eredmény fényében arra is lehet majd következtetni, hogy az ED hatások ebben a tekintetben receptor-mediáltak-e.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Az iparosodott világ számos ipari környezetszennyező anyag káros élettani hatásával találja szembe magát. A környezeti szennyezőanyagok egyik legfontosabb vegyületcsoportja az élő szervezetbe kerülve képes a főbb biológiai szabályzórendszerek, így a hormonális funkciók befolyásolására (ED-k). Az ED-k immár nem csak a gyártási folyamatok során a nekik közvetlenül kitett emberekre jelentenek veszélyt, hanem a talajvízbe, élelmiszerekbe, a véráramba és az anyatejbe jutva már a fogamzás pillanatától befolyásolják az emberek és állatok fejlődését, majd hosszú távon befolyásolják az egyedek illetve teljes populációk életét és életminőségét. A modern nyugati társadalom egyedeinek bizonyos tulajdonságait a vegyi forradalom előtti állapotával vagy jelenkori, de kevéssé iparosodott országok lakóinak állapotával összehasonlítva szembeszökő, hogy néhány ösztrogén és/vagy pajzsmirigyhormon által szabályozott élettani állapot jelentősen, tartósan módosult. Például említhetjük a reprodukciós képességek jelentős csökkenését, aminek (hímnemű egyedek esetében) hátterében csökkent számú spermiumtermelés, illetve a spermiumok vitalitásának csökkenése áll, továbbá a női nemi ciklus több ponton való elégtelensége, esetleg a ciklicitás teljes hiánya. Etológiai vizsgálatok szerint az ED-k a szexuális identitás zavarait is előidézhetik. A táplálékfelvétel és az energia-metabolizmus gyakori zavarai tömeges elhízáshoz vezettek a modern nyugati társadalmakban, ami táptalajként szolgál egy sor szív- és érrendszeri betegség kialakulásához (lásd az un. metabolikus szindrómát).
Minthogy kevéssé remélhető, hogy az ED-k széles körétől egyhamar megszabadulhatunk, kiemelten fontos, hogy azonosítsuk azok káros élettani hatásait és azok alapján megpróbáljunk védekezni ellenük. A jelen pályázatnak ez a legfőbb célja. Korábbi, a biszfenol A káros hatásait kutató munkáink például jelentősen hozzájárultak ahhoz, hogy mind az amerikai kontinensen, mind pedig Európában betiltsák ezen anyag alkalmazását a gyermekjátékok és cumisüvegek gyártása során. A belátható eredmények ehhez hasonlóan további ED-k azonosításához és az ipari folyamatokból való kitiltásához (egyben azokat helyettesítő módszerek elterjedéséhez) fognak vezetni.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A szervezet ivari működése és energia háztartása mellett az ösztrogén (E2) és pajzsmirigyhormonok (PMH) a szövetfejlődéstani folyamatokat is szabályozzák, beleértve a központi idegrendszer fejlődését. E hormonok hatásaikat javarészt az ő specifikus receptoraik (ER, PMHR) aktiválása révén érik el, mégpedig nem csupán saját, hanem egymás receptorainak mennyiségi szabályozásán keresztül is. Az ipari eredetű környezeti szennyező anyagok egy csoportja, hasonlóan néhány természetes növényi eredetű anyaghoz, a szervezetbe kerülve, képes e két hormon csoport hatásait utánozva, vagy éppen ezekkel ellentétesen hatva, a normális hormonális szabályozó folyamatok befolyásolására. Ezen anyagok az un. endokrin diszruptorok (ED). Pályázatunk célja, hogy korábbi vizsgálatainkra alapozva megvizsgáljuk négy jelentős ED anyag (biszfenol A, zearalenon, az arzén és 4-methylbenzylidén kámfor) azon képességét, hogy mennyire képesek befolyásolni az ER-k és PMHR-k természetes mennyiségi viszonyait, valamint ezen keresztül hogyan hatnak a kísérleti sejtkultúrában használt kisagyi idegsejtek meghatározott vitalitási mutatóira. A várható eredmények remélhetően körvonalazzák a vizsgált ED-k önállóan vagy kombináltan kifejtett káros hatásait, ezúton lehetőséget teremtve az általuk okozott káros hatások korrigálására, illetve a káros hatás igazolása esetén bizonyos ipari alkalmazások során történő használatuk kiküszöbölésére tehetünk megalapozott javaslatot.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Estrogens (E2) and thyroid hormones (THs) are crucial in the regulation of cerebellar development. These hormones bind to their receptors (ERs and TRs) that, act as transcription factors to activate specific genes important in neurodevelopment. Previous reports and our own results suggest that E2 and THs influence the expression level of their own and each-other’s receptors, thereby affect mechanisms mediated by these receptors. Certain environmental chemicals, when ingested, act as agonists or antagonists of E2 and THs (endocrine disruptors, EDs). Their mechanism of action is not yet clarified, partly because the agonistic or antagonistic nature of effects is not known, and also because a limited number of experimental systems are suitable to investigate such mechanisms. The ability of EDs to simultaneously influence ER and TR functions further complicates attempts to clearly justify the potential biological hazard that EDs may represent. We will investigate the effects of the four, biologically and economically most important and well known EDs (bisphenol A, zearalenone, arsenic and 4-methylbenzylidene camphor) on the expression levels of ER and TR mRNAs and proteins, using a well established in vitro experimental model (primary cerebellar granule cell culture). We will also examine simultaneously exerted effects of EDs on most important neuronal cell viability parameters, such as plasma membrane permeability, lactate-dehydrogenase release, mitogenesis and cell proliferation. The proposed experiments will reveal crucial aspects of ED action mechanisms and in addition, will result in a more precise definition of the hazards these chemicals represent to neurodevelopment.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In the present proposal we will test the hypothesis that
1. Environmental endocrine disruptors influence the expression levels of ERb and TRa,b.
2. The regulation of ligand-dependent ER expression is, at least in part, mediated by TRs and the regulation of ligand dependent TR expression is, at least in part, mediated by ERs.
3. The environmental EDs influence the viability of cerebellar granule cells and this is, at least in part, mediated by ERs-TRs.

Ad. 1. Question 1. can clarify the exact modulatory effects of the tested EDs and can also reveal whether their modulatory effects in the regulation of ER-TR expression levels differ from one-another or follow comparable trends.

Ad. 2. Question 2. will provide a deeper insight into the possible interrelationship between ERs and TRs in the setting of their actual expression levels and, in addition, will answer the question of whether the applied EDs modify receptor expression levels through their binding to ERs or TRs.

Ad. 3. Question 3. will provide important physiologically and pathophysiologically relevant data on how the applied hormones alone or in combination affect cell viability, and how those viability parameters are influenced by the EDs used. Thus, answers to questions 1-3 will result new physiological reference data, reveal potentially harmful effects of the EDs used and, at the same time, will also shed light to whether or not the hormone- and/or ED effects examined are receptor-mediated.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The industrialized societies face a plethora of hazardous effects of environmental pollutants. Many of these pollutants are able to influence the natural hormone-regulated mechanisms; such chemicals are known as endocrine disruptors (EDs). EDs get into natural waters, ingested nutrients and thereby into the blood (and milk) of humans and animals, thereby influence the developmental processes of individuals from the moment of conception. These effects lead to abnormalities in reproductive physiology, metabolic homeostasis and even behavioral patterns. When comparing some of the aforementioned parameters from contemporal western societies (or animal populations) to those characteristic before the industrial revolution or in populations that actually live in less industrialized countries, it becomes apparent that some E2 and/or TH-regulated processes have significantly and permanently changed. For example, fertility rates have markedly decreased, with specific causes in males (decreased sperm production and decreased sperm vitality) and females (abnormalities in ovarian cyclicity or the total lack of cycles) as well. Ethological studies identified abnormalities in sex-specific behavior and changes in sexual identity may also arise from ED effects. Alterations in energy metabolism has become a major initiator of mass obesity, leading to the recently termed metabolic syndrome and a multitude of heart- and vascular diseases.
Since there is no realistic chance to rid ourselves from ED-exposure any time soon, identification of ED effects/mechanisms and appropriate protection against these effects has become more important than ever before.
Our previous work has substantially contributed to indentifying the harmful effects of bisphenol A and played a major role in banning this chemical from the manufacture of baby bottles and toys in North America and the European Union. The expected results from our planned studies will likewise lead to the removal of further ED chemicals from the manufacture of food and beverage storing products and will push for alternative, not harmful solutions in the named manufacture processes. We also aim to point out the harmful effects of estrogenic toxicants in animals feeds (zearalenone).

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Besides the reproductive processes and energy household of the organism, estrogens (E2) and thyroid hormones (THs) regulate many of the developmental processes of humans and animals, including that of the central nervous system. These hormones act through the activation of their specific receptors, importantly however, they are able to regulate each other’s receptors as well. A group of environmental pollutants, as well as some plant-derived estrogenic factors, act as the aforementioned natural hormones or, for that matter, against these hormones, when ingested, thereby disrupt the normal regulatory effects of hormones mentioned. Therefore, this group of exogenous hormone-like substances is termed „endocrine disruptors” (EDs). The goal of the present proposal is to extend our previous work on E2 and TH receptors and now determine the effects of the four best known ED substances (bisphenol A, zearalenone, arsenic and 4-methylbenzylidene camphor) on the intracellular quantities of E2 and TH receptor mRNAs and proteins. Additionally, we also aim to investigate how the aforementioned effects influence the viability of developing nerve cells. Our expected results will reveal the harmful nature of the EDs examined along with the underlying mechanisms, allowing for recognition of these effects in the everyday life. Therefore, the expected results will help in the formulation of protection strategies against ED effects, including medical solutions and in providing with initiatives to use alternative techniques in the manufacture of industrial products that involve the use of the EDs examined in this proposal.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Az eredmények alapján kijelenthető, hogy: 1. a vizsgált pajzsmirigyhormon receptorok (TRα, TRβ) és az ösztrogénreceptorok (ERβ) mRNS és fehérje expressziós szintjére a vizsgált környezeti károsító anyagok (ED) biszfenol-A (BPA), zearalenon (ZEA), arzén (As) és a 4-metilbenzilidén-kámfor (MBC) önmagában és kombinációikban is erőteljes hatással volt. 2. A kezeletlen kontrollhoz képest a receptorok mRNS szintjét a BPA erőteljesen megemelte, a ZEA felére csökkentette. Az As gátló hatása a gliasejtek hiányában tudott érvényesülni. Az MBC hatása erős hormonfüggést mutatott. 3. A transzlaciót a BPA és a ZEA a TRβ és ERβ esetén megkétszerezte. Glia jelenlétében az As csak az ERβ receptor expressziójára volt hatással, míg glia hiányában mindhárom receptor expressziója lecsökkent. Az MBC a TRα és ERβ szintjét emelte meg. 4. Az EDk kombinált hatása receptorfüggést mutatott, a hatás erőssége nem volt additív. A kombinált hatásban a TRα receptor esetén az MBC, a TRβ receptor esetén az MBC és az As, az ERβ receptor esetén a BPA és a ZEA dominált. 5. Az ösztrogén (E2) és pajzsmirigyhormonok (T3, T4) is specifikusan módosították az EDk hatását. A T3 lecsökkentette a BPA TRα, TRβ és ERβ receptor mRNS szintekre gyakorolt hatását. Az As hatása hormonfüggetlen volt, a T3 csökkentette az MBC transzlációmodosító hatását. 6. A BPA, ZEA, As és MBC között létrejövő interakció hatása a T3 és E2 alacsony szintje mellett erőteljesnek bizonyult. 7. A gliasejtek jelenléte csökkentette a EDk moduláló hatását.
Results in English
According to our results we can state that: 1. TRα, TRβ and ERβ mRNA and protein expression were disrupted by the examined environmental disruptors (ED), bisphenol-A (BPA), zearalenone (ZEA), arsenic (As) and 4-methylbenzylidene camphor (MBC) alone and in combination. 2. Compared to control, BPA highly enhanced but ZEA halved the transcription; when the glia is absent, mRNA levels were lowered by As. MBC’s effect on transcription is strongly modulated by co-administered hormones 3. The receptor protein levels are doubled by BPA and ZEA in case of TRβ and ERβ. As reduced ERβ the expression in the presence of Glia. In glia reduced cultures expression level of TRα, TRβ and ERβ was decreased. MBC greatly elevated TRα and ERβ. 4. The combined effects of EDs were receptor specific and not additive. MBC dominated in the combined disruption on TRα. Only As and MBC influenced the TRβ expression. ERβ was mainly modulated by BPA and ZEA. 5. Estrogen (E2) and thyroid hormones (T3, T4) altered the individual effect of EDs in a receptor- and an ED specific way. T3 lowered the TRα, TRβ and ERβ receptor mRNA expression in BPA cultures. Effects of As were not influenced by hormones. T3 inhibited the MBC-effect on the translation. 6. Toxic interaction of BPA, ZEA, As and MBC was highly increased in the presence of low E2 and T3 level. 7. Presence of glia reduced the influence of EDs’ modulatory effect on both transcriptional and translational levels.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=130218
Decision
Yes





 

List of publications

 
Zsarnovszky A., Kiss DS., Jocsak G., Nemeth G.; Toth I., Horvath TL.: Thyroid hormone- and estrogen receptor interactions with natural ligands and endocrine disruptors in the cerebellum, Frontiers in Neuroendocrinology, 48:23-36, 2018
Jocsak G., Toth I., Somogyi V.,. Bartha T, Frenyo V.L., Zsarnovszky A.:: Effects of bisphenol a on the expression level of ER and TH receptors in the developing cerebellum, No. FENS-0461; 9th Conference of Federation of European Neuroscience Societies, Milano,, 2014
Jocsak G., Toth I., Somogyi V.,. Bartha T, Frenyo V.L., Zsarnovszky A.:: Effects of bisphenol a on the expression level of ER and TH receptors in the developing cerebellum, No. FENS-0461; 9th Conference of Federation of European Neuroscience Societies, Milano, 2014
Jocsak G., Kiss DS., Toth I., Goszleth G., Bartha T., Frenyo LV., Horvath TL., Zsarnovszky A.: Comparison of Individual and Combined Effects of Four Endocrine Disruptors on Estrogen Receptor Beta Transcription in Cerebellar Cell Culture: The Modulatory Role of Estr, Int J Environ Res Public Health, 13(6). pii: E619. doi: 10.3390/ijerph13060619., 2016
Jocsak G., Toth I., Somogyi V., Kiss DS., Bartha T., Frenyo VL., Horvath TL., Zsarnovszky A.: Ligand-dependent estrogen and thyroid hormone receptor mRNA expression is modulated by the glia, p1-71, 15th Meeting of the Hungarian Neuroscience Society, Budapest, Hungary, 2015
Jocsak G., Toth I., Somogyi V., Kiss DS., Bartha T., Frenyo VL., Zsarnovszky A.: Effects of bisphenol-A on cell viability in developing cerebellar cell culture, P6-6, The Joint Meeting of the Federation of European Physiological Societies and the Baltic Physiological Societies, Kaunas, Lithuania, 2015
Jocsak G., Toth I., Kiss DS., Ashaber M., Barany Z., Bartha T. Frenyo VL., Zsarnovszky A.: Effects of zearalenone on the expression level of estrogen- and thyroid hormone receptors in the developing cerebellum, P2-125, 16th Meeting of the Hungarian Neuroscience Society; International Brain Research Organization International Workshop, Budapest, Hungary, 2016
Jocsak G., Toth I., Kiss DS., Bartha T., Frenyo VL., Zsarnovszky A.: The effects of zearalenone on the expression level of thyroid- and estrogen hormone receptors in the developing cerebellum, a likely mechanism for endocrine disruption, 1624-E009, 10th Meeting of Federation of European Neuroscience Societies, Copenhagen, Denmark, 2016
Jocsak G., Bartha T., Goszleth G., Zsarnovszky A.: Ösztrogén, pajzsmirigyhormonok és a zearalenon hatása az ösztrogén- és pajzsmirigyhormon receptorok expressziójára fejlődő kisagyban, SZIE-AOTK, Akadémiai beszámolók, 2016
Jocsak G., Toth I., Bartha T., Frenyo V.L., Zsarnovszky A.: Ösztrogén, pajzsmirigyhormonok és biszfenol a hatása az öszt-rogén- és pajzsmirigyhormon receptorok expressziójára fejlődő kisagyban, SZIE-ÁOTK, Akadémiai beszámolók, 2014
Toth I., Kiss DS., Jocsak G., Bartha T., Frenyo VL., Zsarnovszky A.: Effects of Bisphenol A on the regulation of estrogen- and thyroid hormone receptor expression in presence of estrogen and/or thyroid hormones on the developing cerebellum, P142, International Brain Research Organization International Workshop, Debrecen, Hungary, 2014
Somogyi V., Horvath TL., Toth I., Bartha T., Frenyo VL., Kiss DS., Jocsak G., Kerti A., Naftolin F., Zsarnovszky A.: Bisphenol A influences oestrogen- and thyroid hormone-regulated thyroid hormone receptor expression in rat cerebellar cell culture, Acta Vet Hung, 64(4):497-513, 2016
Jocsak G., Kiss DS., Toth I., Barany Z., Zsarnovszky A., Frenyo VL.: A zearalenon, mint mikotoxin káros hatásai az emlős szervezetben: az utóbbi évtizedek eredményeinek rövid áttekintése (Adverse biological effects of the mycotoxin zearale, Magyar Állatorvosok Lapja, 139(1):55-63, 2017
Kiss DS., Ioja E., Toth I., Barany Z., Jocsak G., Bartha T., Horvath TL., Zsarnovszky A.: Comparative analysis of zearalenone effects on thyroid receptor alpha (TRα) and beta (TRβ) expression in rat primary cerebellar cell cultures, 19(5). pii: E1440. doi: 10.3390/ijms19051440, 2018




Back »