Działalność człowieka uwalnia do środowiska ogromne ilości substancji chemicznych, które stanowią poważny problem dla organizmów i naturalnych ekosystemów1. Szacuje się, że spośród tych zanieczyszczeń około 1000 różnych substancji chemicznych może zmienić normalną równowagę układów hormonalnych; zgodnie z tą właściwością są klasyfikowane jako substancje chemiczne zaburzające funkcjonowanie układu hormonalnego (EDC). W szczególności, w oparciu o niedawną definicję Towarzystwa Endokrynologicznego, EDC są "egzogenną substancją chemiczną lub mieszaniną substancji chemicznych, która może zakłócać dowolny aspekt działania hormonów"2. W ciągu ostatnich trzech dekad pojawiło się coraz więcej dowodów naukowych na to, że EDC mogą wpływać na reprodukcję i rozwój zwierząt i roślin3,4,5,6,7,8. Co więcej, narażenie na EDC jest związane z rosnącym występowaniem niektórych chorób u ludzi, w tym raka, otyłości, cukrzycy, chorób tarczycy i zaburzeń zachowania9,10,11.
Ogólne mechanizmy EDC
Ze względu na swoje właściwości molekularne, EDC zachowują się jak hormony lub prekursory hormonów3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. W tym sensie mogą wiązać się z receptorem hormonu i zakłócać układy hormonalne, naśladując aktywność hormonów lub blokując wiązanie hormonów endogennych. W pierwszym przypadku, po związaniu się z receptorem, mogą go aktywować tak, jak zrobiłby to jego naturalny hormon. W drugim przypadku wiązanie EDC z receptorem zapobiega wiązaniu się jego naturalnego hormonu, więc receptor jest zablokowany i nie może być już aktywowany, nawet w obecności jego naturalnego hormonu3. W konsekwencji EDC mogą wpływać na kilka procesów, takich jak synteza, wydzielanie, transport, metabolizm lub obwodowe działanie endogennych hormonów, które są odpowiedzialne za utrzymanie homeostazy, reprodukcję, rozwój i/lub zachowanie organizmu. Wiązanie z receptorem nie jest jedynym opisanym do tej pory sposobem działania EDC. Teraz jest jasne, że mogą one również działać poprzez rekrutację koaktywatorów lub korepresorów w szlakach enzymatycznych lub poprzez modyfikację markerów epigenetycznych deregulujących ekspresję genów10,11,12,13,14, z konsekwencjami nie tylko dla obecnego pokolenia, ale także dla zdrowia przyszłych pokoleń8.
Hormony Drosophila
Potencjalne efekty wybranych EDC były szeroko badane, zarówno u dzikich gatunków, jak i w kilku systemach modelowych, w których mechanizmy endokrynologiczne są dość dobrze znane. W przypadku bezkręgowców układy hormonalne, które wpływają na wzrost, rozwój i rozmnażanie, zostały szeroko scharakteryzowane u owadów z kilku powodów, w tym ich szerokiego zastosowania w dziedzinie badań biologicznych, ich znaczenia ekonomicznego, a wreszcie rozwoju insektycydów, które mogą specyficznie ingerować w układ hormonalny szkodników.
Szczególnie wśród owadów, muszka owocowa D. melanogaster okazała się bardzo potężnym systemem modelowym do oceny potencjalnych skutków endokrynologicznych EDC. U D. melanogaster, podobnie jak u kręgowców, hormony odgrywają ważną rolę w całym cyklu życiowym. W tym organizmie istnieją trzy główne układy hormonalne, które obejmują hormon steroidowy 20-hydroksyekdyzon (20E)15,16, seskwiterpenoidowy hormon juchwenilowy (JH)17 oraz neuropeptydy i hormony peptydowe/białkowe18. Ta trzecia grupa składa się z kilku peptydów odkrytych niedawno, ale wyraźnie zaangażowanych w ogromną różnorodność procesów fizjologicznych i behawioralnych, takich jak długowieczność, homeostaza, metabolizm, reprodukcja, pamięć i kontrola lokomotoryczna. 20E jest homologiczny do hormonów steroidowych pochodzących z cholesterolu, takich jak estradiol, podczas gdy JH ma pewne podobieństwa z kwasem retinowym; oba są bardziej znanymi hormonami w Drosophila19,20. Ich równowaga jest niezbędna w koordynowaniu linienia i metamorfozy, a także w kontrolowaniu kilku procesów porozwojowych, takich jak reprodukcja, długość życia i zachowanie21, oferując w ten sposób różne możliwości testowania zaburzeń endokrynologicznych u Drosophila. Co więcej, hormony ekdysteroidowe i JH są głównymi celami tak zwanych insektycydów trzeciej generacji, opracowanych w celu zakłócania rozwojowych i reprodukcyjnych procesów endokrynologicznych u owadów. Agonistyczny lub antagonistyczny sposób działania tych substancji chemicznych jest dobrze znany, a zatem mogą one służyć jako wzorce referencyjne do oceny wpływu potencjalnych EDC na wzrost, rozmnażanie i rozwój owadów22. Na przykład metopren, który jest szeroko stosowany w zwalczaniu komarów i innych owadów wodnych23,24, działa jako agonista JH i hamuje indukowaną przez 20E transkrypcję i metamorfozę genu.
Oprócz hormonów, nadrodzina receptorów jądrowych (NR) u Drosophila jest również dobrze znana; składa się z 18 ewolucyjnie zachowanych czynników transkrypcyjnych zaangażowanych w kontrolowanie zależnych od hormonów ścieżek rozwojowych, a także reprodukcji i fizjologii25. Te hormony NR należą do wszystkich sześciu podtypów nadrodziny NR, w tym tych zaangażowanych w neurotransmisję26, dwa dla NR kwasu retinowego i te dla steroidowych NR, które u kręgowców stanowią jeden z głównych celów EDCs27.
Drosophila jako modelowy system do badania EDC
Obecnie, na podstawie właściwości molekularnych, kilka agencji środowiskowych na całym świecie przypisuje potencjał ingerencji w układy hormonalne różnym substancjom chemicznym wytworzonym przez człowieka. Biorąc pod uwagę, że EDC są globalnym i wszechobecnym problemem dla środowiska i organizmów, ogólnym celem badań w tej dziedzinie jest zmniejszenie obciążenia nimi chorobowymi, a także ochrona organizmów żywych przed ich niekorzystnym skutkiem. Aby pogłębić wiedzę na temat potencjalnych skutków endokrynologicznych substancji chemicznej, konieczne jest jej przetestowanie in vivo. W tym celu D. melanogaster reprezentuje prawidłowy system modelowy. Do tej pory muszka owocowa była szeroko stosowana jako model in vivo do oceny skutków kilku środowiskowych EDC; doniesiono, że narażenie na kilka EDC, takich jak ftalan dibutylu (DBP)28, bisfenol A (BPA), 4-nonylofenol (4-NP), 4-tert-oktylofenol (4-tert-OP)29, methylparaben (MP)30, ethylparaben (EP)31,32, ftalan bis-(2-etyloheksylu) (DEHP)33 i 17-α-etynyloestradiol (EE2)34, wpływa na metabolizm i funkcje hormonalne, jak w modelach kręgowców. Do wykorzystania go jako modelu w tej dziedzinie badań skłoniło kilka powodów. Poza doskonałą znajomością układów hormonalnych, dalsze zalety to krótki cykl życia, niski koszt, łatwy do manipulowania genom, długa historia badań i kilka możliwości technicznych (zobacz stronę internetową FlyBase, http://flybase.org/). D. melanogaster dostarcza również potężnego modelu do łatwego badania efektów międzypokoleniowych i reakcji populacji na czynniki środowiskowe8 i unika kwestii etycznych istotnych dla badań in vivo na zwierzętach wyższych. Ponadto muszka owocowa ma wysoki stopień zachowania genów z ludźmi, co może umożliwić testom Drosophila EDC pomoc w przewidywaniu lub sugerowaniu potencjalnych skutków tych chemikaliów dla zdrowia ludzkiego. Oprócz poszerzania wiedzy na temat wpływu na zdrowie ludzkie, Drosophila może pomóc w ocenie ryzyka narażenia środowiska na EDC, takiego jak utrata różnorodności biologicznej i degradacja środowiska. Wreszcie, muszka owocowa ma tę dodatkową zaletę, że jest wykorzystywana w laboratoriach, gdzie czynniki potencjalnie wpływające na jej rozwój, rozmnażanie i długość życia mogą być kontrolowane w celu przypisania wszelkich zmian badanej substancji.
Mając to na uwadze, zoptymalizowaliśmy proste i solidne testy sprawnościowe do określenia wpływu EDC na niektóre cechy hormonalne Drosophila, takie jak płodność/płodność, czas rozwoju i długość dorosłego życia. Testy te są szeroko stosowane w niektórych EDC23,24,25,26,27. W szczególności zastosowaliśmy następujące protokoły do oceny skutków ekspozycji na syntetyczny estrogen EE234 oraz na BPA i bisfenol AF (BPA F) (dane niepublikowane). Protokoły te mogą być łatwo modyfikowane w celu zbadania skutków danego EDC na raz, a także łącznych efektów wielu EDC u D. melanogaster.