Thyroid and Sex Hormone Disruption Potentials of HBB (Hexabromobenzene) in Embryo-Larval and Adult Zebrafish (Danio rerio)

Abstract

Novel brominated flame retardants (NBFRs) are chemicals that have recently been used as substitutes for conventional brominated flame retardants (BFRs). NBFRs have a different structure from the conventional brominated flame retardants, but have similar physical-chemical properties. NBFRs have been detected in a wide variety of environments, products and biotics. HBB is one of NBFRs with a high log Kow value. HBB has recently been reported to be associated with genes involved in thyroid regulation in aquatic organism. However, despite these potential toxicities, studies on endocrine toxicity by HBB exposure are very limited. The purpose of this study is to determine the mechanism of thyroid toxicity by developmental stage of zebrafish (Danio rerio). Following a 7-day exposure to HBB, changes in thyroid hormones and associated gene expression are analyzed in embryo-larval zebrafish. The whole-body thyroid hormones that were measured in larval zebrafish, i.e., total T3 and T4, and free T3 and T4, and TSH were increased. In addition, central regulatory genes (crh, trh), metabolism-related genes (dio1, dio3a, dio3b) and hormone synthesis genes(nis, tg, tpo) were down-regulated. In adult male fish of 6 months of age, a 21-day exposure to HBB showed the changes in hormone and gene transcription related to HPT (Hypothalamus-Pituitary-Thyroid) axis. In the plasma of adult zebrafish, total T4 and TSH tended to increase. In addition, exposure to HBB lowered E2 (17β-estradiol) and 11-KT (11-ketotestosterone) in the adult fish. The results of this study showed thyroid disrupting responses of HBB in different life stages of zebrafish, and sex hormone disruption in the adult fish. The findings of this study suggest that endocrine toxicities of novel brominated flame retardants that replace conventional brominated flame retardants warrant further investigations.

Novel brominated flame retardants(NBFRs)는 기존의 브롬화난연제(BFRs)의 대체제로서 최근에 사용되고 있는 화학물질이다. NBFRs 는 기존의 브롬화 난연제와 화학 구조는 다르지만 대부분의 물리-화학적 특성이 유사하다. NBFRs 은 다양한 환경 및 제품에서 검출되어지고 있으며, 환경에 노출됨에 따라 생물 상에서도 종종 검출되는 보고들이 증가하고 있다. NBFRs 중 HBB 는 높은 log Kow 값을 가진 물질로 최근 한 수생 생물 내에서 갑상선 조절에 관여하는 유전자와 상관관계를 보인다는 연구가 보고되었다. 그러나 이러한 독성 가능성이 있음에도 HBB 의 노출에 의한 내분비계 독성 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 HBB 에 의해 수서 생물인 zebrafish(Danio rerio)의 발달 단계에 따라 갑상선 호르몬 및 성 호르몬 교란을 확인하고 그 기전을 밝히고자 한다. Embryo-larval zebrafish 노출 실험의 경우, 7 일 동안 HBB 을 노출한 후 갑상선 호르몬 및 관련 유전자 발현 변화를 분석한다. Whole larvae 의 갑상선 호르몬을 측정한 결과, total T3(TT3), total(TT4)의 함량이 증가하였으며, free T3(fT3), free T4(fT4)의 함량과thyroid stimulating hormone(TSH)의 함량도 증가하는 결과를 보인다. 또한, 갑상선 중추 조절 유전자(crh, trh), deiodination 관련 유전자(dio1, dio3a, dio3b), 합성 관련 유전자(nig, tg, tpo)가 모두 감소되는 결과를 보인다. Adult zebrafish 노출 실험의 경우, 약 6 개월 연령의 수컷 adult zebrafish 을 사용하여 21 일 동안 HBB 을 노출 시킨 후 갑상선 호르몬 및 관련 adult zebrafish 의 각 장기 별 유전자 발현 변화를 분석한다. Adult zebrafish 의 plasma 에서의 갑상선 호르몬 분석 결과, TT3 는 감소하는 경향이 관찰되었으며, TT4 는 증가하는 경향이 보인다. 또한, HBB 의 노출에 의해 E2(17β-estradiol)와 11-KT(11-ketotestosterone)가 감소하는 경향을 보였다. 본 연구 결과 zebrafish 의 다양한 life-stage 에서 갑상선 교란 반응이 관찰되었다. 따라서 기존의 브롬화 난연제를 대체하는 새로운 브롬화 난연제에 대한 추가적인 독성 연구가 수행되어야 함을 시사한다.