Evaluation of the initial manifestations of the toxic process in conditions of chronic action of low subtoxic doses of dioxins polluting the environment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

AIM: To study the state of the genome by indicators of retrotransposon activity — the gene encoding DNA methyltransferase 1 (DNMT1); DNA damage in animals from the natural population of the bank vole (Clethrionomys glareolus) living in the vicinity of a preserved landfill contaminated with low concentrations of dioxins (landfill of production and consumption waste — "Salariyevo", Moscow).

MATERIAL AND METHODS: The activity of ERV-L, B1, and L1 retrotransposons and the transcription level of the DNMT1 gene were evaluated by real-time PCR. The stability of DNA in liver and bone marrow cells was characterized by the comet assay method. Afterward, the obtained characteristics of the state (stability, reactivity, and damage) of the genome in response to environmental stress factors were compared in groups of animals from the study and conditionally control samples.

RESULTS: The effects of a decrease in the activity of retrotransposons of classes B1 and L1, and an increase in DNMT1 gene expression level were revealed in voles from the natural population living under the long-term chronic exposure to low doses of dioxins decrease in the activity of retrotransposons of classes B1 and L1, and an increase in the expression level of the DNMT1 gene were revealed. An increased level of DNA damage (on average up to 56% of the DNA in the tail of the comet) was detected in hepatocytes, with the addition of winter environmental factors to the chronic effect of small subtoxic doses of dioxins.

CONCLUSION: Suppression of retrotransposon activity and increased expression of its epigenetic regulator (DNMT1) are regarded as adaptive responses to long-term chronic exposure to low doses of dioxins polluting the environment. The alteration in the reactivity and destabilization of the genome indicates the launch of the initial mechanisms of the toxic process formation. The created and tested methodological base for its study opens up prospects for establishing a threshold level, and as a result, substantiating indicators for screening assessment of local (territorial) risk to public health by biomonitoring.

About the authors

Anton R. Lavrenov

A.N. Severtsov Institute of ecology and evolution of the Russian academy of sciences; Lomonosov Moscow state university

Email: overtaki@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7318-8046
SPIN-code: 4081-9972
Scopus Author ID: 56046623800
ResearcherId: F-3019-2017

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Moscow; Moscow

Kristina G. Ordzhonikidze

A.N. Severtsov Institute of ecology and evolution of the Russian academy of sciences; Vavilov Institute of general genetics of the Russian academy of sciences

Author for correspondence.
Email: chiris.ordj@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2955-0631
SPIN-code: 1658-8379
Russian Federation, Moscow; Moscow

Vladimir S. Roumak

A.N. Severtsov Institute of ecology and evolution of the Russian academy of sciences; Lomonosov Moscow state university

Email: roumak@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6645-8677
SPIN-code: 4477-5112

MD, Dr. Sci. (Med.), professor

Russian Federation, Moscow; Moscow

Alexander I. Kim

Lomonosov Moscow state university; Shenzhen MSU–BIT university

Email: aikim57@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0398-8694
SPIN-code: 8606-4506
Scopus Author ID: 7402063241
ResearcherId: P-4899-2015

Dr. Sci. (Biol.), professor

Russian Federation, Moscow; Shenzhen, China

Natalia V. Umnova

A.N. Severtsov Institute of ecology and evolution of the Russian academy of sciences

Email: unv2014@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1615-2194
SPIN-code: 5586-0738

Dr. Sci. (Med.), professor

Russian Federation, Moscow

References

  1. Rozanov VN, Treger YuA. Assessment of dioxins emission from major sources in the Russian Federation. Ecology and Industry of Russia. 2011;2:32–35. (In Russ).
  2. Sofronov GA, Bochkov NP, Umnova NV, et al. Ecologo-genetic manifestations of dioxin pathology. Medical academic journal. 2006;6(1):163–174. (In Russ).
  3. Sycheva LP, Umnova NV, Kovalenko MA, et al. Dioxins and cytogenetic status of villagers after 40 years of Agent Orange application in Vietnam. Chemosphere. 2016;144:1415–1420. doi: 10.1016/j.chemosphere.2015.10.009
  4. Prokopec SD, Houlahan KE, Sun RX, et al. Compendium of TCDD-mediated transcriptomic response datasets in mammalian model systems. BMC Genomics. 2017;18(1):78. doi: 10.1186/s12864-016-3446-z
  5. Patrizi B, Cumis MS. TCDD toxicity mediated by epigenetic mechanisms. Int J Mol Sci. 2018;19(12):4101. doi: 10.3390/ijms19124101
  6. Sofronov GA, Rembovskij VR, Radilov AS, Mogilenkova LA. Modern views on the mechanism of the toxic action of dioxins and their hygienic rationing. Medical Academic Journal. 2019;19(1):17–28. (In Russ). doi: 10.17816/MAJ19117-28
  7. Agapkina GI, Brodskij ES, Shelepchikov AA, et al. Polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans in soils of Moscow-City. Moscow university soil science bulletin. 2010;65(3):114–118. doi: 10.3103/s0147687410030038
  8. Weber R, Herold C, Hollert H, et al. Reviewing the relevance of dioxin and PCB sources for food from animal origin and the need for their inventory, control and management. Environ Sci Eur. 2018;30(1):42. doi: 10.1186/s12302-018-0166-9
  9. Goodier JL. Restricting retrotransposons: a review. Mob DNA. 2016;7:16. doi: 10.1186/s13100-016-0070-z
  10. Sookdeo A, Hepp CM, McClure MA, Boissinot S. Revisiting the evolution of mouse LINE-1 in the genomic era. Mob DNA. 2013;4(1):3. doi: 10.1186/1759-8753-4-3
  11. Veniaminova NA, Vassetzky NS, Kramerov DA. B1 SINEs in different rodent families. Genomics. 2007;89(6):678–686. doi: 10.1016/j.ygeno.2007.02.007
  12. Bezel` VS, Muxacheva SV. Trophic levels of small mammals: multi-element composition and toxic load. Povolzhskiy Journal of Ecology (Saratov). 2012;1:3–13. (In Russ). doi: 10.1134/s1062359013100014
  13. Roumak VS, Umnova NV, Levenkova ES, et al. Dioxins in the environment and the body of animals near landfill: to the methodology of public health risk evaluation. Ekologiya cheloveka (Human Ecology). 2017;24(10):9–15. (In Russ). doi: 10.33396/1728-0869-2017-10-9-15
  14. Carnell AN, Goodman JI. The long (LINEs) and the short (SINEs) of it: altered methylation as a precursor to toxicity. Toxicol Sci. 2003;75(2):229–235. doi: 10.1093/toxsci/kfg138
  15. OECDilibrary [Internet]. Test No. 489: in vivo mammalian alkaline comet assay, OECD guidelines for the testing of chemicals, section 4, Paris: OECD Publishing, 2016.
  16. Gajski G, Žegura B, Ladeira C, et al. The comet assay in animal models: from bugs to whales — (part 2 vertebrates). Mutat Res Rev Mutat Res. 2019;781:130–164. doi: 10.1016/j.mrrev.2019.04.002
  17. Roumak VS, Umnova NV, Poznyakov SP, An NQ, Sofronov GA. Disadaptive effects in humans after exposure to chemicals containing dioxin. Organohalogen compounds. 1994;21:379–381.
  18. Ecke F, Berglund AMM, Rodushkin I, et al. Seasonal shift of diet in bank voles explains trophic fate of anthropogenic osmium? Sci Total Environ. 2018;624:1634–1639. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.10.056
  19. Kunisue T, Watanabe MX, Iwata H, et al. PCDDs, PCDFs, and coplanar PCBs in wild terrestrial mammals from Japan: congener specific accumulation and hepatic sequestration. Environ Pollut. 2006;140(3):525–535. doi: 10.1016/j.envpol.2005.07.020
  20. Bénit L, Lallemand JB, Casella JF, Philippe H, Heidmann T. ERV-L elements: a family of endogenous retrovirus-like elements active throughout the evolution of mammals. J Virol. 1999;73(4):3301–3308. doi: 10.1128/JVI.73.4.3301-3308.1999
  21. Zhang W, Zhou S, Gao Y, et al. Alterations in DNA methyltransferases and methyl-CpG binding domain proteins during cleft palate formation as induced by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin in mice. Mol Med Rep. 2018;17(4):5396–5401. doi: 10.3892/mmr.2018.8521
  22. Miousse IR, Chalbot MCG, Lumen A, et al. Response of transposable elements to environmental stressors. Mutat Res Rev Mutat Res. 2015;765:19–39. doi: 10.1016/j.mrrev.2015.05.003
  23. Ma HS, Wang EL, Xu WF, et al. Overexpression of DNA (Cytosine-5)-methyltransferase 1 (DNMT1) and DNA (Cytosine-5)-methyltransferase 3A (DNMT3A) is associated with aggressive behavior and hypermethylation of tumor suppressor genes in human pituitary adenomas. Med Sci Monit. 2018;24:4841–4850. doi: 10.12659/MSM.910608

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Relative levels of retrotransposons transcription — B1 SINE (a) and LINE-1 (b), and DNMT1 gene transcription (c) calculated by the ΔCt method with normalization to beta-actin. The average values are shown on the histograms. Error bars represent maximum and minimum values. Ch-BV — conditionally control strain from the “Chernogolovka” vivarium, Sv-BV — voles trapped on the exposed territory near “Salariyevo” landfill. * — significant differences at p <0.05.

Download (87KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. DNA damage (% DNA in the tail) in liver cells in the bank voles (Clethrionomys glareolus) groups. The data is represented as a boxplot for medians for investigated groups of animals with 25% and 75% (“boxes”), minimum and maximum values excluding outliers (stars). Sv-BV — exposed animals, caught in autumn; Sv-BV(Spr) — exposed animals, caught in spring; Ch-BV — control group. * р=0,05 — significant differences from the control; ** р=0,002 — or between experimental groups (non-parametrical Mann–Whitney U-test).

Download (100KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Lavrenov A.R., Ordzhonikidze K.G., Roumak V.S., Kim A.I., Umnova N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».