ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ Pb2+, Cd2+ И Cu2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS

Авторы

  • Анастасия Васильевна Егорова Институт проблем экологии и недропользования АН РТ
  • Алсу Фоатовна Гатиятуллина Институт проблем экологии и недропользования АН РТ
  • Татьяна Борисовна Калинникова Институт проблем экологии и недропользования АН РТ

DOI:

https://doi.org/10.24852/2411-7374.2022.4.84.90

Ключевые слова:

Caenorhabditis elegans, тяжелые металлы, нейротоксичность

Аннотация

Проведено сравнительное исследование токсического действия ионов свинца, кадмия и меди на организм почвенной нематоды Caenorhabditis elegans линии дикого типа N2. Двухчасовая экспозиция нематод к растворам Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 в концентрации 10 и 20 мМ повышала чувствительность моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом, к агонисту никотиновых рецепторов ацетилхолина левамизолу в концентрации 2, 4 и 8 мкМ. Повышение чувствительности локомоции C. elegans к левамизолу проявлялось в снижении доли нематод, сохранивших способность поддерживать плавание в течение 10 с после стимула. В условиях экспериментов наиболее сильное токсическое действие на нематод оказывал нитрат меди, наименее токсичным был нитрат свинца. 30-минутная экспозиция C. elegans к Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 в концентрации 10 и 20 мМ с последующим восстановлением нематод в течение 24 часов на среде выращивания с бактериями также повышала чувствительность моторной программы плавания к левамизолу. Выявленное повышение чувствительности локомоции C. elegans к левамизолу после кратковременной экспозиции к ионам Pb2+, Cd2+ и Cu2+ не может быть следствием накопления этих токсикантов во внутренней среде из-за наличия у нематод кутикулы, ограничивающей проникновение токсикантов во внутреннюю среду организма. Кратковременная экспозиция нематод к высоким дозам Pb(NO3)2 могла вызвать гибель части дофаминергических нейронов, что привело к снижению уровня эндогенного дофамина. Снижение уровня эндогенного дофамина, в свою очередь, могло привести к повышению содержания эндогенного ацетилхолина и, как следствие, повышению чувствительности никотиновых холинорецепторов к их агонисту левамизолу. Возможным объяснением выявленного в работе повышения чувствительности локомоции C. elegans к левамизолу после кратковременного действия Cd(NO3)2 и Cu(NO3)2 может быть изменение функций холинергических и ГАМКергических нейронов в системе нейронов, участвующей в реализации моторной программы плавания нематод.

Список литературы

  1. Егорова А.В., Гайнутдинов Т.М., Калинникова Т.Б., Гайнутдинов М.Х. Нейротоксичность тяжелых металлов для почвенной нематоды Caenorhabditis elegans // Научное обозрение. 2019а. №3. С. 17–21.
  2. Егорова А.В., Калинникова Т.Б., Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х., Шагидуллин Р.Р. Сенситизация никотиновых рецепторов ацетилхолина почвенной нематоды Caenorhabditis elegans Maupas ионами Cu2+ и Cd2+ // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2019б. №3. С. 19–24.
  3. Егорова А.В., Калинникова Т.Б., Шагидуллин Р.Р. Токсическое действие меди, кадмия и свинца на свободноживущих почвенных нематод Caenorhabditis elegans и Caenorhabditis briggsae // Токсикологический вестник. 2021. №1. С. 43–46. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2021-1-43-46.
  4. Akinyemi A.J., Miah M.R., Ijomone O.M., Tsatsakis A., Soares F. A.A., Tinkov A.A., Skalny A.V., Venkataramani V., Aschner M. Lead (Pb) exposure induces dopaminergic neurotoxicity in Caenorhabditis elegans: involvement of the dopamine transporter // Toxicological reports. 2019. V. 6. P. 833–840. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2019.08.001.
  5. Avila D., Helmcke K., Aschner M. The Caenorhabditis elegans model as a reliable tool in neurotoxicology // Human and experimental toxicology. 2012. V. 31. P. 236–243. https://doi.org/10.1177/0960327110392084.
  6. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. V. 77. P. 71–94. https://doi.org/10.1093/genetics/77.1.71.
  7. Chase D.L., Pepper J.S., Koelle M.R. Mechanism of extrasynaptic dopamine signaling in Caenorhabditis elegans // Nature neuroscience. 2004. V. 7. P. 1096–1103. doi: 10.1038/nn1316.
  8. Chen P., Martinez-Finley E.J., Bomhorst J., Chakraborty S., Aschner M. Metal-induced neurodegeneration in C. elegans // Frontiers in Aging Neuroscience. 2013. V. 5. P. 1–11. https://doi.org/10.3389/fnagi.2013.00018.
  9. Choi J. Caenorhabditis elegans as a biological model for multilevel biomarker analysis in environmental toxicology and risk assessment // Toxicological research. 2008. V. 24. P. 235–243. https://doi.org/10.5487/tr.2008.24.4.235.
  10. Gupta V.K., Singh S., Agrawal A., Siddiqi N.J., Sharma B. Phytochemicals mediated remediation of neurotoxicity induced by heavy metals // Biochemistry research international. 2015. Article 534769. P. 1–9. https://doi.org/10.1155/2015/534769.
  11. Hilliard M.A., Bargmann C.I., Bazzicalupo P. C. elegans responds to chemical repellents by integrating sensory inputs from the head and the tail // Current biology. 2002. V. 12. P. 730–734. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(02)00813-8.
  12. de Lima D., Roque G.M., de Almeida E.A. In vitro and in vivo inhibition of acetylcholinesterase and carboxylesterase by metals in zebrafish (Danio rerio) // Marine Environmental Research. 2013. V. 91. P. 45–51. http://dx.doi.org/10.1016/j.marenvres.2012.11.005
  13. Mendez-Armenta M., Rios C. Cadmium neurotoxicity // Environmental toxicology and pharmacology. 2007. V. 23. P. 350–358. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-52272-6.00381-0.
  14. NourEddine D., Miloud S., Abdelkader A. Effect of lead exposure on dopaminergic transmission in the rat brain // Toxicology. 2005. V. 207. P. 363–368. https://doi.org/10.1016/j.tox.2004.10.016
  15. Phyu M.P., Tangpong J. Sensitivity of acetylcholinesterase to environmental pollutants // Journal of health research. 2014. V. 28. P. 277–283.
  16. Sambongi Y., Nagae T., Liu Y., Yoshimizu T., Takeda K., Wada Y., Futai M. Sensing of cadmium and copper ions by externally exposed ADL, ASE, and ASH neurons elicits avoidance response in Caenorhabditis elegans // NeuroReport. 1999. V. 10. P. 753–757. https://doi.org/10.1097/00001756-199903170-00017.
  17. Sanders T., Liu Y., Buchner V., Tchounwou P.B. Neurotoxic effects and biomarkers of lead exposure: A review // Reviews on environmental health. 2009. V. 24. P. 15–45. https://doi.org/10.1515/reveh.2009.24.1.15.
  18. Tiwari S.S., Tambo F., Agarwal R. Assessment of lead toxicity on locomotion and growth in a nematode Caenorhabditis elegans // Journal of applied and natural science. 2020. V. 12. P. 36–41. https://doi.org/10.31018/jans.v12i1.2227.
  19. Valko M., Morris H., Cronin M.T.D. Metals, toxicity and oxidative stress // Current medicinal chemistry. 2005. V. 12. P. 1161–1208. https://doi.org/10.2174/0929867053764635.
  20. Vijverberg H.P.M., Oortgiesen M., Leinders T., van Kleef R.G.D.M. Metal interactions with voltage- and receptor-activated ion channels // Environmental health perspectives. 1994. V. 102 (Suppl. 3). P. 153–158. https://doi.org/10.2307/3431780.
  21. Wang B., Du Y. Cadmium and its neurotoxic effect // Oxidative medicine and cellular longevity. 2013. V. 2013. P. 1–12. http://dx.doi.org/10.1155/2013/898034.
  22. Wang D., Xing X. Assessment of locomotion behavioral defects induced by acute toxicity from heavy metal exposure in nematode Caenorhabditis elegans // Journal of environmental sciences. 2008. V. 20. P. 1132–1137. https://doi.org/10.1016/s1001-0742(08)62160-9.

23. Zhang Y., Ye B., Wang D. Effects of metal exposure on associative learning behavior in nematode Caenorhabditis elegans // Archives of environmental contamination and toxicology. 2010. V. 59. P. 129–136. https://doi.org/10.1007/s00244-009-9456-y.

Библиографические ссылки

Egorova A.V., Gainutdinov T.M., Kalinnikova T.B., Gainutdinov M.Kh. Neirotoxichnost tyazhelykh metallov dlya pochvennoi nematody Caenorhabditis elegans [Neurotoxicity of heavy metals for soil nematode Caenorhabditis elegans] // Nauchnoe obozrenie [Science-Review]. 2019a. No 3. P. 17–21.

Egorova A.V., Kalinnikova T.B., Kolsanova R.R., Gainutdinov M.Kh., Shagidullin R.R. Sensitizatsiya nikotinovykh retseptorov atsetilkholina pochvennoi nematody Caenorhabditis elegans Maupas ionami Cu2+ i Cd2+ [Sensitization of nicotinic acetylcholine receptors of soil nematode Caenorhabditis elegans Maupas by Cu2+ and Cd2+ ions] // Sovremennaya nauka: aktual'nye problemy teorii i praktiki. Seriya: Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Modern Science: actual problems of theory and practice. Series of Natural and Technical Sciences]. 2019b. No 3. P. 19–24.

Egorova A.V., Kalinnikova T.B., Shagidullin R.R. Toxicheskoe deistvie medi, kadmiya i svintsa na svobodnozhivushchikh pochvennykh nematod Caenorhabditis elegans i Caenorhabditis briggsae [Toxic action of copper, cadmium and lead on organisms of free-living soil nematodes Caenorhabditis elegans and Caenorhabditis briggsae] // Toxikologicheskii vestnik [Toxicological Review]. 2021. No 1. P. 43–46. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2021-1-43-46.

Akinyemi A.J., Miah M.R., Ijomone O.M., Tsatsakis A., Soares F.A.A., Tinkov A.A., Skalny A.V., Venkataramani V., Aschner M. Lead (Pb) exposure induces dopaminergic neurotoxicity in Caenorhabditis elegans: involvement of the dopamine transporter // Toxicological reports. 2019. Vol. 6. P. 833–840. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2019.08.001.

Avila D., Helmcke K., Aschner M. The Caenorhabditis elegans model as a reliable tool in neurotoxicology // Human and experimental toxicology. 2012. Vil. 31. P. 236–243. https://doi.org/10.1177/0960327110392084.

Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. Vol. 77. P. 71–94. https://doi.org/10.1093/genetics/77.1.71.

Chase D.L., Pepper J.S., Koelle M.R. Mechanism of extrasynaptic dopamine signaling in Caenorhabditis elegans // Nature neuroscience. 2004. Vol. 7. P. 1096–1103. doi: 10.1038/nn1316.

Chen P., Martinez-Finley E.J., Bomhorst J., Chakraborty S., Aschner M. Metal-induced neurodegeneration in C. elegans // Frontiers in aging neuroscience. 2013. Vol. 5. P. 1–11. https://doi.org/10.3389/fnagi.2013.00018.

Choi J. Caenorhabditis elegans as a biological model for multilevel biomarker analysis in environmental toxicology and risk assessment // Toxicological research. 2008. Vol. 24. P. 235–243. https://doi.org/10.5487/tr.2008.24.4.235.

Gupta V.K., Singh S., Agrawal A., Siddiqi N.J., Sharma B. Phytochemicals mediated remediation of neurotoxicity induced by heavy metals // Biochemistry Research International. 2015. Article 534769. P. 1–9. https://doi.org/10.1155/2015/534769

Hilliard M.A., Bargmann C.I., Bazzicalupo P. C. elegans responds to chemical repellents by integrating sensory inputs from the head and the tail // Current biology. 2002. Vol. 12. P. 730–734. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(02)00813-8.

de Lima D., Roque G.M., de Almeida E.A. In vitro and in vivo inhibition of acetylcholinesterase and carboxylesterase by metals in zebrafish (Danio rerio) // Marine Environmental Research. 2013. V. 91. P. 45–51. http://dx.doi.org/10.1016/j.marenvres.2012.11.005

Mendez-Armenta M., Rios C. Cadmium neurotoxicity // Environmental toxicology and pharmacology. 2007. V. 23. P. 350–358. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-52272-6.00381-0.

NourEddine D., Miloud S., Abdelkader A. Effect of lead exposure on dopaminergic transmission in the rat brain // Toxicology. 2005. Vol. 207. P. 363–368. https://doi.org/10.1016/j.tox.2004.10.016.

Phyu M.P., Tangpong J. Sensitivity of acetylcholinesterase to environmental pollutants // Journal of health research. 2014. Vol. 28. P. 277–283.

Sambongi Y., Nagae T., Liu Y., Yoshimizu T., Takeda K., Wada Y., Futai M. Sensing of cadmium and copper ions by externally exposed ADL, ASE, and ASH neurons elicits avoidance response in Caenorhabditis elegans // NeuroReport. 1999. Vol. 10. P. 753–757. https://doi.org/10.1097/00001756-199903170-00017.

Sanders T., Liu Y., Buchner V., Tchounwou P.B. Neurotoxic effects and biomarkers of lead exposure: A review // Reviews on environmental health. 2009. Vol. 24. P. 15–45. https://doi.org/10.1515/reveh.2009.24.1.15.

Tiwari S.S., Tambo F., Agarwal R. Assessment of lead toxicity on locomotion and growth in a nematode Caenorhabditis elegans // Journal of applied and natural science. 2020. Vol. 12. P. 36–41. https://doi.org/10.31018/jans.v12i1.2227.

Valko M., Morris H., Cronin M.T.D. Metals, toxicity and oxidative stress // Current medicinal chemistry. 2005. Vol. 12. P. 1161–1208. https://doi.org/10.2174/0929867053764635

Vijverberg H.P.M., Oortgiesen M., Leinders T., van Kleef R.G.D.M. Metal interactions with voltage- and receptor-activated ion channels // Environmental health perspectives. 1994. Vol. 102 (Suppl. 3). P. 153–158. https://doi.org/10.2307/3431780.

Wang Bo, Du Y. Cadmium and its neurotoxic effect // Oxidative medicine and cellular longevity. 2013. Vol. 2013. P. 1–12. http://dx.doi.org/10.1155/2013/898034.

Wang D., Xing X. Assessment of locomotion behavioral defects induced by acute toxicity from heavy metal exposure in nematode Caenorhabditis elegans // Journal of environmental sciences. 2008. Vol. 20. P. 1132–1137. https://doi.org/10.1016/s1001-0742(08)62160-9.

Zhang Y., Ye B., Wang D. Effects of metal exposure on associative learning behavior in nematode Caenorhabditis elegans // Archives of environmental contamination and toxicology. 2010. Vol. 59. P. 129–136. https://doi.org/10.1007/s00244-009-9456-yl.

Загрузки

Опубликован

2022-12-26

Как цитировать

Егорова, А. В., Гатиятуллина, А. Ф., & Калинникова, Т. Б. (2022). ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ Pb2+, Cd2+ И Cu2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS. Российский журнал прикладной экологии, (4), 84–90. https://doi.org/10.24852/2411-7374.2022.4.84.90

Выпуск

№ 4 (2022)

Раздел

Экспериментальная экология

Лицензия

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)