Effect of p,p-DDE on thyroid hormone, neurodevelopment, and kidney in embryo-larvae and adult zebrafish (Danio rerio)

Abstract

Exposure to p,p-DDE (1‑dichloro‑2,2‑bis (p‑chlorophenyl) ethylene), has been reported to be associated with thyroid hormone disruption or kidney dysfunction. However, such outcomes have mostly been studies in separation, and have rarely been investigated for fish especially at early life stage. In this study, I evaluated thyroid hormone disrupting effects of p,p-DDE, and screened for potential for its neurological and renal effects using embryo/larval and adult zebrafish. For each outcome, regulatory changes of key genes were chosen and quantified following the exposure. In the larvae, thyroid hormone production and synthesis related genes such as crh, tshβ, nkx2.1 and tg showed up-regulations after the exposure. Thyroid hormone transformation related genes such as dio1 and dio2 were also significantly up-regulated. Moreover, mpb, gfap, and syn2a genes, responsible for myelination and synapse formation, were significantly down-regulated in all exposure groups (p< 0.05). The c-fos gene, neuronal activation marker, was up-regulated in all exposure groups. Among the genes related to renal function, podocin gene was markedly down-regulation, but wt1a gene was significantly increased at 1uM (p< 0.05). In adult fish, crh, tshr, nis, tg, dio1, and dio2 genes tended to up-regulate, and T3 hormones also significantly increased (p< 0.05). Changes of the genes and hormones are likely to stimulate thyroid synthesis following p,p-DDE exposure. In the brain, the expression of gfap, mbp, and c-fos genes showed increased pattern. In the kidney, kim-1 gene was up-regulated at 0.1 μM p,p-DDE (p< 0.05). The present observation indicates that p,p-DDE exposure on embryo/larval and adult zebrafish can disrupt thyroid, neurological and renal system. Further investigation on mechanistic link on the neurological and renal effects in association with thyroid hormone disruption is warranted.

DDT (dichloro-diphenyl-trichloroethane)는 제 2차 세계 대전 이후 가장 널리 사용된 유기 염소계 살충제이나 큰 독성으로 인해 사용이 금지되었다. 그러나 질병 통제와 같은 특수한 용도로 여전히 사용되고 있고, 그 대사체인 p,p'-DDE는 잔류성이 높아 여전히 환경과 체내에서 검출되고 있다. p,p'-DDE는 갑상선 교란 가능성이 있음이 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 또한 실험 연구와 인구 관찰 연구에서 p,p-DDE 노출에 따른 신경계 이상 및 신장 기능 손상도 보고되고 있다. 갑상선호르몬의 변화와 신경 및 신장 기능 간의 연관성이 보고된 바 있으나, 분자적인 수준에서 이를 함께 보는 연구는 제한적인 실정이다. 따라서 본 연구에서는 제브라피시 배아/자어와 성어를 이용하여 갑상선호르몬 교란 기전과 신경 및 신장 독성 가능성을 확인해보고자 하였다. 배아/자어에서는 갑상선호르몬 교란 기전을 확인하기 위해, 수정 후 2시간 이내의 배아를 0, 0.01, 0.03, 0.1 μM(0.1 % v/v DMSO)에 6일간 노출시켰다. 신경 독성을 확인하기 위해, 수정 후 2시간 이내의 배아를 0, 0.1, 0.3, 1, 3 μM(0.1 % v/v DMSO)에 5일간 노출시키고 관련 유전자 변화를 관찰하였다. 또 신장 독성을 확인하기 위해, 수정 후 2시간 이내의 배아를 0, 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 1, 3, 10 μM(0.1 % v/v DMSO)에 4일간 노출시키고 관련 유전자 변화를 관찰하였다. 수컷 성어에서는 갑상선호르몬 교란 기전과 신경 및 신장 독성을 확인하기위해, 0, 0.03, 0.1, 0.3, 1 μM(0.01 % v/v DMSO)에 21일간 노출시키고 관련 유전자와 T3 호르몬 변화를 관찰하였다. 배아/자어에서는 갑상선호르몬 생합성 및 대사에 관여하는 crh, tshβ, nkx2.1, tg, dio1, dio2 유전자 발현이 증가하였다. 신경계에서는 수초(myelination) 및 시냅스 형성에 관여하는 mbp, syn2a, gfap 유전자 발현이 유의하게 감소하였다. 사구체 여과에 관여하는 nephrin 유전자 발현은 유의한 수준으로 감소하였으나, 전신 발달에 관여하는 wt1a는 차이를 보이지 않았다. 성어에서는 갑상성호르몬 조절과 관련된 crh, tshr, mct8, nis, tg, dio1, dio2 유전자 발현이 증가하는 경향을 보였고, T3 호르몬도 통계적으로 유의한 수준으로 증가하였다(p<0.05). 유전자와 호르몬 모두 p,p-DDE 노출에 따라 갑상선호르몬의 합성을 증가시키는 방향으로 나타났다. 자어와는 달리, 신경계와 관련된 유전자 중 gfap는 유의한 수준으로 증가했고, mbp와 c-fos는 유의하지는 않으나 증가하는 패턴을 보였다. 또 신장에서는 사구체 여과에 관여하는 podocin과 손상 지표로 알려진 kim-1이 통계적으로 유의한 수준으로 증가했다(p<0.05). 본 연구는 제브라피시 배아/자어와 성어에서 p,p-DDE 노출에 따른 갑상선호르몬 교란 기전과 신경 및 신장 발달 저해 영향을 유전자와 호르몬 변화를 통해 확인하였다. 갑상선 호르몬은 신경 및 신장 발달에 핵심적인 역할을 수행하므로, 갑상선계 교란이 신경 및 신장 영향을 일으키는 기전 연구가 필요하다.