Die Exposition gegenüber künstlichen Chemikalien beeinflusst Gene, die das Altern, das Immunsystem und den Stoffwechsel steuern

Die Exposition gegenüber künstlichen Chemikalien beeinflusst Gene, die das Altern, das Immunsystem und den Stoffwechsel steuern
Die meisten Gene im menschlichen Körper können durch künstliche Chemikalien gestört werden.
Göran Andersson / Getty Images

Heute sind Menschen Tausenden von künstlichen Chemikalien ausgesetzt. Die Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt.

Im Jahr 2020 erreichte die Anzahl der registrierten Chemikalien 167 Millionen. Jeden Tag sind Menschen ihnen durch Nahrung, Wasser, kontaminierte Luft, Medikamente, Kosmetika und andere künstliche Substanzen ausgesetzt. Weniger als 1% dieser Chemikalien wurden auf Toxizität getestetund diejenigen, die getestet wurden, zeigen die Fähigkeit, fast jeden biologischen Prozess in unserem Körper zu stören. Können wir daraus schließen, wie kumulative Expositionen unsere Gesundheit beeinflussen?

Ich bin ein Umwelttoxikologe Untersuchung der Auswirkungen künstlicher Chemikalien auf unsere Gesundheit. Ich beschloss mich zu entwickeln ein rechnerischer Ansatz objektiv die Empfindlichkeit aller Gene gegenüber allen Chemikalien zu vergleichen und die anfälligsten biologischen Prozesse zu identifizieren.

Unvoreingenommener Ansatz

Für unsere Studie, meine Forschungskollegen und ich verwendeten Daten aus dem Vergleichende toxikogenomische Datenbank. Die Vergleichende Toxikogenomische Datenbank sammelt Informationen aus Tausenden von veröffentlichten Studien darüber, wie Chemikalien die Aktivität von Genen verändern. Gene sind DNA-Abschnitte, die für Proteine ​​kodieren, die in Zellen ein breites Funktionsspektrum erfüllen, vom Aufbau von Geweben bis zur Metabolisierung von Nährstoffen. Wenn Chemikalien Gene beeinflussen, führt dies zu einer erhöhten oder verringerten Produktion von Proteinen.


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Moderne Methoden der Molekularbiologie können Änderungen der Aktivität aller Gene im Genom als Reaktion auf eine chemische Beleidigung nachweisen. Ich habe einen Ansatz entwickelt, der Listen veränderter Gene aus verschiedenen Studien überlagert, um zu berechnen, wie oft jedes Gen betroffen war. Die resultierenden Zahlen spiegeln die Empfindlichkeit von Genen gegenüber Chemikalien im Allgemeinen wider.

Anhand von 2,169 Studien an Mäusen, Ratten, Menschen und ihren Zellen bewertete meine Forschungsgruppe die Empfindlichkeit von 17,338 Genen gegenüber chemischer Exposition. In diesen Studien wurden die Auswirkungen von 1,239 verschiedenen Chemikalien getestet, die von verschreibungspflichtigen Arzneimitteln bis hin zu Umweltschadstoffen reichen.

Im nächsten Schritt führten wir Tests durch, um sicherzustellen, dass diese Probe von über 1,000 Chemikalien groß genug war, um alle Klassen künstlicher Chemikalien, denen Menschen ausgesetzt sind, zuverlässig darzustellen. Zu diesem Zweck haben wir die Empfindlichkeit von Genen für die eine Hälfte dieser Liste gemessen und dann für eine andere, um zu testen, ob selbst eine geringere Anzahl von Chemikalien empfindliche Gene zuverlässig identifizieren kann. Die Ergebnisse waren ermutigend - die Werte der Genempfindlichkeit waren in beiden Studien nahezu identisch.

Das zelluläre Abwehrsystem reagiert auf Chemikalien

Unsere Zellen sind nicht völlig hilflos, wenn sie chemischen Beleidigungen ausgesetzt sind. In der Tat, sie Strategien für den Umgang mit Stress und Schäden durch Chemikalien besitzen. Unsere Daten bestätigen, dass diese Schutzmaßnahmen als Reaktion auf Expositionen aktiv werden.

Diese Verteidigungslinie umfasst Enzyme, die toxische Chemikalien eliminieren, oxidativen Stress (die Anreicherung reaktiver Radikale in Zellen) lindern, beschädigte DNA und Proteine ​​reparieren und stark beschädigte Zellen identifizieren, um ihren Tod auszulösen und zu verhindern, dass sie krebsartig werden.

Könnte die Exposition gegenüber künstlichen Chemikalien die Fettleibigkeitsrate weltweit erhöhen?Könnte die Exposition gegenüber künstlichen Chemikalien die Fettleibigkeitsrate weltweit erhöhen? Chutima Sonma / EyeEm / Getty Images

Der Stoffwechsel von Lipiden und Kohlenhydraten ist anfällig

Überraschenderweise fanden wir heraus, dass molekulare Netzwerke, die an der Regulation des Zellstoffwechsels beteiligt sind, am empfindlichsten gegenüber chemischen Expositionen sind. Einer von ihnen ist PPAR-Signalisierung. PPARs sind eine Gruppe von Proteinen, die den Energiehaushalt und den Metabolismus von Lipiden und Glukose regulieren.

Steigende oder fallende PPAR-Aktivitäten tragen dazu bei Fettleibigkeit, metabolisches Syndrom, Diabetes und Fettlebererkrankungen. Die Fähigkeit einiger Umweltchemikalien PPARs zu beeinflussen wurde zuvor gezeigt. Wir hatten jedoch keine Empfindlichkeit von PPARs gegenüber einem sehr breiten Spektrum von Verbindungen erwartet.

Wir entdeckten auch, dass Gene, die an der Entwicklung von Betazellen der Bauchspeicheldrüse beteiligt sind, die Insulin absondern und eine Schlüsselrolle im Glukosestoffwechsel spielen, von den meisten Chemikalien in unserer Liste unterdrückt werden. Eine Funktionsstörung der Betazellen führt zu Diabetes. Daher können kumulative chemische Expositionen ein signifikanter Risikofaktor für Diabetes sein.

Heute ist eine Epidemie von Stoffwechselerkrankungen ein großes Problem der öffentlichen Gesundheit. Die Prävalenz von Fettleibigkeit hat sich zwischen 1975 und 2016 fast verdreifacht. Etwa 40% der Amerikaner erkranken im Laufe ihres Lebens an Typ-2-Diabetesund 33% -88% haben Fettleber. Der Zusammenhang zwischen Expositionen und Stoffwechselerkrankungen wurde bereits für einige Chemikalien mit endokrin wirkenden Eigenschaften gezeigt. Die Rolle eines breiten Spektrums künstlicher Chemikalien bei dieser Epidemie wurde jedoch bisher nicht erkannt, kann jedoch von Bedeutung sein.

Wachstum, Alterung und das Immunsystem

Zwei am Wachstum beteiligte Hormone - Wachstumshormon (GH) und Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor (IGF1) - sind ebenfalls von der Exposition gegenüber Chemikalien betroffen.

IGF1 ist ein Hormon meistens von der Leber abgesondert. Es ist als Hauptregulierungsbehörde von anerkannt Körperwachstum. Zusätzlich zeigen mehrere Mausexperimente, dass die GH-IGF1-Signalübertragung verringert ist führt zu einer längeren Lebensdauer. Dieser Weg bestimmt auch, ob Zellen dies tun Verwenden Sie Energie, um neue Moleküle aufzubauen, die der Körper benötigtoder ob sie vorhandene Moleküle abbauen, um Energie für den Organismus freizusetzen. Die Fähigkeit von Chemikalien, diesen zentralen Regulator für Wachstum und Alterung zu beeinflussen, ist ein neuartiger Befund. Welche gesundheitlichen Probleme aufgrund der Empfindlichkeit von GH-IGF1 auftreten können, muss noch aufgedeckt werden.

Unsere Analyse zeigt, dass Gene, die die Immunantwort steuern, auch sehr empfindlich gegenüber Chemikalien sind.

Zwei Hauptergebnisse eines gestörten Immunsystems sind Allergie und Autoimmunität. Die Prävalenz für beide Bedingungen folgt Aufwärtstrends. Nahrungsmittelallergien nahmen ab zu 3.4% bis 5.1% zwischen 1997 und 2011 bei Kindern in den USA Hautallergien nahmen ab zu 7.4% bis 12.5% im gleichen Zeitraum. Eine andere Studie zeigte a 5% iger Anstieg des Blutmarkers bei Autoimmunerkrankungen bei Amerikanern im Zeitraum 1988-2012.

Alle molekularen Wege sind chemikalienempfindlich

Insgesamt haben wir festgestellt, dass fast jeder bekannte Weg durch Chemikalien beeinflusst werden kann. Dieser Befund hat erhebliche Auswirkungen auf die regulatorische Toxikologie.

Mit immer mehr künstlichen Chemikalien, Die Gesellschaft muss sich entwickeln schnelle und kostengünstige Methoden von Toxizitätstests.

Eine wichtige Frage, die unbeantwortet bleibt, ist, welche Wege durch Tests abgedeckt werden sollten, um sicherzustellen, dass die Regulierungsbehörden keine Chemikalien zulassen, die kritische molekulare Schaltkreise schädigen oder stören. Unsere Daten legen nahe, dass wir Tests entwickeln müssen, die ausnahmslos jeden bekannten molekularen Weg abdecken.

Unsere Studie beschreibt neue Prioritäten für die toxikologische Forschung, einschließlich der Rolle chemischer Expositionen für die metabolische Gesundheit, das Immunsystem, die Entwicklung und das Altern.Das Gespräch

Über den Autor

Alexander Suworow, Assistenzprofessor, University of Massachusetts Amherst

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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