1 Přednášející: Pavel Čupr Ekotoxikologické biotestyEkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty TESTY GENOTOXICITY A MUTAGENITYTESTY GENOTOXICITY A MUTAGENITY ČČáástst RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška GENOTOXICITAGENOTOXICITA toxicita pro genom genotoxické faktory jsou schopny interagovat s DNA za vzniku reverzibilních i ireverzibilních změn poškození genomu může následně vést k mutagenezi, karcinogenezi, indukci fágů, buněčné smrti, chromozomálním aberacím a dalším neméně závažným důsledkům 2 Společenstvo Ekosystém Individuum Nespecifická toxicita Subletální účinekLetální účinek Specifická toxicita Genotoxicita Karcinogenita -nepolární narkóza -polární narkóza -blokování respiračního řetězce (respiratory blocator) -inhibitor AchE -membránové iritanty -poškození CNS Reprodukční toxicita Teratogenita Neurotoxicita Endokrinní toxicita Populace Parametry populace Strukturní a funkční diverzita Homeostáze a homeorhéza Vitalita/mortalita Růst/inhibice ÚČINEK RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška MUTACEMUTACE za mutaci je považována jakákoliv změna v genetické informaci buněk, která není výsledkem rekombinace či segregace při dělení buněk, a je přenášena do dalších generací buněk či jedinců. proces vzniku mutací je označován jako mutageneze. mutace lze kategorizovat dle různých aspektů (viz dále). 3 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška MUTAGENEZE několikafázový proces. genotoxická látka s mutagenními účinky po vstupu do organismu a na základě své toxikokinetiky proniká v původní či změněné podobě do buňky (fáze 1). následně dochází k interakci s DNA v genomu, jejichž podstatou je kovalentní vazba na molekulu DNA, interkalace mezi řetězce dvojšroubovice, interakce s mitotickými strukturami (fáze 2). mutace, tedy změna v genotypu, která není letální, může v určitém časovém horizontu vést k transkripci a realizaci změněné informace, která se následně promítá v podobě mutantního fenotypu (fáze 3). procesu mutageneze nemusí být dokončen v případě, že daný genotoxický zásah je pro danou buňky letální či mutace byla včas opravena. RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška GENOTOXICKGENOTOXICKÉÉ FAKTORYFAKTORY Fyzikální faktory Chemické faktory Přírodní faktory Antropogenní faktory 4 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška AKTIVACE PROGENOTOXINAKTIVACE PROGENOTOXINŮŮ I.I. ppřříímméé mutagenymutageny ­­ skupina lskupina láátek, jetek, ježž vykazuje svvykazuje svéé genotoxickgenotoxickéé úúččinkyinky ve stve stáávajvajííccíím stavu dm stavu dííky pky přříítomnosti silntomnosti silněě elektrofilnelektrofilníí skupiny.skupiny. nepnepřříímméé mutagenymutageny ­­ lláátky, jetky, ježž za normza normáálnlníích podmch podmíínek nevykazujnek nevykazujíí genotoxickgenotoxickéé úúččinky, ale v pinky, ale v přříípadpaděě enzymatickenzymatickéé ppřřememěěny zny zíískskáávajvajíí vhodnou molekulvhodnou molekuláárnrníí strukturu, kterstrukturu, kteráá umoumožňžňujeuje úúččinnou interakci sinnou interakci s DNA.DNA. progenotoxická látka E aktivovaný genotoxin RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška AKTIVACE PROGENOTOXINAKTIVACE PROGENOTOXINŮŮ Nejčastějí využívaným provedením metabolické aktivace je příprava mikrosomální frakce (S9 frakce): jaterní mikrosomální frakce z potkanů či myší mikrosomální frakce z plic, ledvin či mozku potkanů a myší jaterní mikrosomální frakce lidských jater jaterní mikrosomální frakce z ryb rostlinná mikrosomální frakce 5 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška PPŘŘEHLED NEJPOUEHLED NEJPOUŽŽÍÍVANVANĚĚJJŠÍŠÍCH TESTCH TESTŮŮ GENOTOXICITY A MUTAGENITYGENOTOXICITY A MUTAGENITY VYHODNOCOVVYHODNOCOVÁÁNNÍÍ, INTERPRETACE A, INTERPRETACE A EXTRAPOLACE VÝSLEDKEXTRAPOLACE VÝSLEDKŮŮ TESTTESTŮŮ RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška DETEKDETEKČČNNÍÍ SYSTSYSTÉÉMY GENOTOXICKÝCHMY GENOTOXICKÝCH ÚÚČČINKINKŮŮ Bakterie Živočichové Rostliny Houby Detekční systémy * Interpretace * Extrapolace * Jednoduchost * Rychlost * Náklady 6 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška PRINCIP BAKTERIPRINCIP BAKTERIÁÁLNLNÍÍCH TESTCH TESTŮŮ GENOTOXICITYGENOTOXICITY Tři principiálně odlišné modely pro detekci genotoxických faktorů: model 1: DNA léze vede ke změně smyslu informace V důsledku indukce reverzní mutace dochází k obnovení určité vlastnosti buněk testovacího kmene, která je následně sledována. model 2: DNA léze indukuje SOS odpověď zahrnující SOS mutagenezi V důsledku indukce poškození DNA je spuštěn systém SOS odpovědi, která je determinována skupinou SOS genů, jejichž aktivace je následně sledována na základě přepisu vhodného reportérového genu (specifický fúzní gen SOS gen::reportérový gen). model 3: DNA léze vede ke smrti buňky Důsledkem poškození DNA u kmenů buněk, které nejsou schopné opravovat vzniklá poškození, je buněčná smrt. RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška PPŘŘEHLED BAKTERIEHLED BAKTERIÁÁLNLNÍÍCH TESTCH TESTŮŮ GENOTOXICITYGENOTOXICITY model 1: model 2: * Amesův test ­ vznik histidin-prototrofních CFU (Ames et al., 1975) * Ara-test ­ vznik L-arabinóza-rezistentních CFU (Englesberg et al., 1962) * Ampicilínový test ­ vznik ampicilín-rezistentních CFU (Lee et al., 1994) * Reverzní test na E. coli ­ vznik tryptofan-rezistentních CFU (Bridges, 1972) * Mutatox ­ obnovení bioluminiscence buněk (Johnson, 1992) * GFP test ­ obnovená schopnost produkce GFP (Cariello et al., 1998) * SOS chromotest ­ indukce přepisu sulA::lac-Z (Quillardet et al., 1982) * UmuC test ­ indukce přepise umuC::lac-Z (Oda et al., 1985) * SulA test ­ indukce přepisu sulA::lac-Z (El Mzibri, 1996) * RecA test ­ indukce přepisu recA::luxCDABE (Min et al., 1999) * Vitotox ­ indukce přepisu recN::luxCDABE (Van der Lelie et al., 1997) * Lux-fluoro test ­ indukce přepisu recA::luxCDABE (Baumstark-Khan et al., 2001) model 3: ˇ Reparační test ­ pokles počtu CFU v důsledku poškození DNA (Green, 1977) 7 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška AMESAMESŮŮV TEST I.V TEST I. Specifikace jednoduchý screeningový nástroj, který je nejčastěji používán a jako jediný všeobecně doporučován národními normami Princip test je založen na indukci reverzních mutacích v histidinovém lokusu v buňkách geneticky modifikovaného kmene Salmonella typhimurium reverzní mutace je spojena s přeměnou histidin-auxotrofních buněk (His-) na histidin-prototrofní (His+) histidin-prototrofní buňky jsou následně schopné růst v médiu bez přítomnosti aminokyseliny histidinu obnova růstu a metabolické aktivity je signálem genotoxických účinků testovaného vzorku Amesův test Bruce Ames (nar. 1928) 8 Amesův test * Umožňuje studium reverzních mutací u histidin ­ deficientních kmenů bakterie Salmonella typhimurium. Tyto auxotrofní mutanty přežívají pouze na médiu obsahujícím histidin. * Působením mutagenu dojde u některých buněk k reverzní mutaci, která způsobí ,,opravu" genu pro syntézu histidinu. Bakterie s touto mutací tak znovu získají schopnost tvorby histidinu a přežívají i na médiu, které histidin neobsahuje. Bakterie HisNa normálním médiu umírá Médium s histidinem Normální médium Bakterie His+Reverzní mutace Mutagen Amesův test Testovanálátka Prokázanýmutagen 0 Negativní kontrola Pozitivní kontrola Miska s testovanou látkou GENOTOXICITA PROKÁZÁNA Proč lze i na negativní kontrole (tj. na misce bez jakéhokoliv mutagenu) pozorovat nárůst bakterií? SPONTÁNNÍ REVERTANTI Interpretujte výsledek testu? Lze tímto výsledkem potvrdit genotoxicitu látky? Vysvětlete, jaký význam má pozitivní kontrola (tj. aplikace známého mutagenu). SLOUŽÍ KE KONTROLE PRŮBĚHU TESTU A PRO SROVNÁNÍ ? ? ? 9 Výsledek Amesova testu Amesův test ­ automatické odečtení výsledků 10 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ Testy genotoxicity a mutagenityTesty genotoxicity a mutagenity ­ přednáška AMESAMESŮŮV TESTV TEST Fluktuační verze Amesova testu ­ MutachromoplateTM (EPBI) Vyhodnocení: počet pozitivních jamek (žluté) X negativní kontrola. (statistické vyhodnocení ­ Poissonova distribuce). Případně počítáme mutagenní aktivitu (M.A.). RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ Testy genotoxicity a mutagenityTesty genotoxicity a mutagenity ­ přednáška MUTATOX I.MUTATOX I. Specifikace krátkodobý, velmi citlivý screeningový test založený opět na indukce reverzních mutacích (model 1.) Princip test je opět založen na indukci reverzních mutací v důsledku iniciace substitucí, translokace, inhibice syntézy DNA nebo tvorby DNA aduktů genotoxickými látkami v luxCDABE operonu geneticky modifikované bakterie Photobacterium phosphoreum (Vibrio fischeri) M 169, která není schopná luminovat (dark cells) test probíhá v tekutém médiu !! v kyvetách, či mikrodestičkách v důsledku reverzní mutace je obnovena schopnost luminiscence buněk a na základě její kvantifikace je odhadován genotoxický potenciál testovaného vzorku 11 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ Testy genotoxicity a mutagenityTesty genotoxicity a mutagenity ­ přednáška recA lexA >20 cílových genů DNA reparace a jiné SOS funkce ON aktivovaný RecA signál +++ C. OFF recA lexA >20 cílových genů slabá exprese A. pokles úrovně aktivovaného RecA reparovaná DNA D. pokles úrovně signálu akumulace LexA represoru DNA poškození indukující signál aktivace RecA proteinu rozštěpení LecA represoru B. Model SOS regulačního systému testy modelu 2. RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ Testy genotoxicity a mutagenityTesty genotoxicity a mutagenity ­ přednáška SOS CHROMOTEST I.SOS CHROMOTEST I. Specifikace jednoduchý, rychlý, screeningový nástroj s miniaturizovaným provedením založený na stejném principu jako umuC test Princip podstatou SOS chromotestu je indukce SOS odpovědi v důsledku poškození DNA genotoxickou látkou ze skupiny SOS genů (din genů) je tentokrát využíváno propojení sulA genu s reportérovým lac-Z genem cílenou genovou manipulací byl do kmene Escherichia coli PQ 37 vložen specifický fúzní gen sulA::lac-Z jako kontrola toxicity vzorku je kontinuálně bakterií syntetizována alkalická fosfatáza, jejíž pokles aktivity signalizuje inhibici buněk 12 Genotoxicity - mutagenicity test (SOS repairs) MUTAGENIC compounds Spectrofotometric -galactozidases A reporter gene systems OFF recA lexA >20 target genes low level expression reporter gene tol-C gen MUT DNA damage inducing signal RecA protein activation LexArepressor cleaved B DNA repair and other SOS function recA lexA ON activated RecA signalC >20 target genes reporter gene SIGNAL drop in level of activatedRecA DNA repaired D drop in level of signal LexA repressor accumulates o-nitrophenyle - D galactopyranoside Lex A repressor Schéma spřažení SOS reparačního mechanizmu s reporterovým genem - funkce fůzního genu RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška UMUC TEST I.UMUC TEST I. Specifikace Jednoduchý, rychlý, screeningový nástroj s miniaturizovaným provedením a širokou specifitou k různým skupinám genotoxických faktorů, který je založený na indukci SOS odpovědi (model 2) Princip podstatou umuC testu je indukce SOS odpovědi v důsledku poškození DNA genotoxickou látkou ve skupině SOS genů (din genů) jsou obsaženy i geny umuC a umuD, jejichž přepis je zahrnut v komplexním procesu SOS odpovědi cílenou genovou manipulací byl do kmene Salmonella typhimurium TA 1535 vložen plazmid pSK1002 nesoucí specifický fúzní gen umuC::lac-Z 13 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška test bez metabolické aktivace: IF = 1,5 test s metabolickou aktivací: IF = 2,0 UMUC TESTUMUC TEST podmínkou pro správnost odhadu IF je skutečnost, že při testování dané látky (v určité koncentraci) nesmí být dosaženo více než 50 % inhibice růstu (G nesmí být menší než 0,5) Testovací biologický systém Salmonella typhimurium TA1535/pSK1002 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška UMUC TEST IX.UMUC TEST IX. MODIFIKACE KLASICKÉHO UMUC TESTU A) Nové kmeny Salmonella typhimurium NM1011 - zvýšená produkce nitrátreduktázy NM 2009 - zvýšená produkce O, N-acetyltransferáz NM 3009 - zvýšená produkce nitrátreduktázy a O, N- acetyltransferáz OY1001/1A2 - produkce CYP 1A2 a NADPH-P450 reduktázy NM5004 - produkce krysího glutathionu-S-transferázy NM6001 a NM6002 - produkce lidských NAT1 a NAT2 TA1535/pSK-luc - reportérovým genem je zde gen pro luciferázu 14 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška UMUC TEST X.UMUC TEST X. Velikost IF v závislosti na koncentraci 4-NQO 0 10 20 30 40 50 60 0,002 0,005 0,010 0,020 0,039 0,078 0,156 0,313 0,625 1,250 2,500 5,000 koncentrace 4-NQO [mikrogr./ml] IF Velikost IF v závislosti na koncentraci 2-AA 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 0,002 0,005 0,010 0,020 0,039 0,078 0,156 0,313 0,625 1,250 2,500 5,000 koncentrace 2-AA [mikrogr./ml] IF RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška VITOTOX I.VITOTOX I. Specifikace Jednoduchý, rychlý, screeningový nástroj s miniaturizovaným provedením založený na stejném principu jako umuC test Princip podstatou Vitotoxu je opět indukce SOS odpovědi v důsledku poškození genomu testovacího kmene Salmonella typhimurium tentokrát je využíván geneticky manipulovaný kmen Salmonella typhimurium, jež obsahuje lux operon luxCDABE izolovaný z Vibrio fisheri a opatřený recN promotorem podléhající regulaci ze strany lexA proteinu (tedy fůzní gen recN:luxCDABE) reportérový operon je uložen v plazmidu pMOL1067 nebo pMOL1068 15 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška recArecA TESTTEST Specifikace Jednoduchý, rychlý, screeningový nástroj s miniaturizovaným provedením založený na stejném principu jako umuC test Princip podstatou RecA je opět indukce SOS odpovědi v důsledku poškození genomu testovacího kmene Escherichia coli DPD2794 tentokrát je využíván geneticky manipulovaný kmen Escherichia coli, jež obsahuje fúzní gen recA::luxCDABE Fúzní gen je tvořen bezpromotorovým operonem lux operon luxCDBAE izolovaným z Vibrio fisheri, který byl opatřen promotorem recA genu podléhajícímu regulaci ze strany lexA proteinu reportérový operon je uložen v plazmidu RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška TESTY GENOTOXICITY NATESTY GENOTOXICITY NA KVASINKKVASINKÁÁCHCH 16 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška RAD54 - GFP Geneticky modifikovaný kmen Saccharomyces cerevisiae Kopie promotoru pro reparační gen umístěn před gen pro GFP protein vykazující fluorescenci RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška RAD54 - GFP Princip testu: RECETOX - Výzkumné centrum pro chemii životního prostředí a ekotoxikologii Po poškození DNA dojde ke spuštění reparačního procesu a tím i k produkci tohoto GFPproteinu, který je detekován měřením fluorescence Paralelně sledování cytotoxicity měřením absorbance (A600) 17 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška RECETOX - Výzkumné centrum pro chemii životního prostředí a ekotoxikologii Úprava na O.D590 = 1.0Optimalizovaný postupOptimalizovaný postup 100 ul inok (O.D. 1.0) 890 ul Yeast media (YG ­ viz obr) 10 ul VZORKU (či DMSO) Rozpipetování obsahu Eppendorf zkumavky po 200 ul do 3 jamek (opakování) Design založení testu v mikrodestičce (černá, s čirým dnem pro fluorimetrii) Design zaloDesign založženeníí testu vtestu v mikrodestimikrodestiččcece ((ččernernáá, s, s ččirým dnem proirým dnem pro fluorimetriifluorimetrii)) RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška RECETOX - Výzkumné centrum pro chemii životního prostředí a ekotoxikologii Design založení testu v mikrodestičce (černá, s čirým dnem pro fluorimetrii) Design zaloDesign založženeníí testu vtestu v mikrodestimikrodestiččcece ((ččernernáá, s, s ččirým dnem proirým dnem pro fluorimetriifluorimetrii)) 18 RECETOXRECETOX ­­ EkotoxikologickEkotoxikologickéé biotestybiotesty ­­ TestyTesty genotoxicitygenotoxicity a mutagenitya mutagenity ­ přednáška RECETOX - Výzkumné centrum pro chemii životního prostředí a ekotoxikologii Aplikovaný experimentální designAplikovaný experimentální design BLBLBLBLBLBLNKNKNKNKNKNKH PK-2PK-2PK-2PK-2PK-2PK-2PK-1PK-1PK-1PK-1PK-1PK-1G Vz6 1:4 Vz6 1:4 Vz6 1:4 Vz6 1:2 Vz6 1:2 Vz6 1:2 Vz6 1:1 Vz6 1:1 Vz6 1:1 Vz6 1:0 Vz6 1:0 Vz6 1:0F Vz5 1:4 Vz5 1:4 Vz5 1:4 Vz5 1:2 Vz5 1:2 Vz5 1:2 Vz5 1:1 Vz5 1:1 Vz5 1:1 Vz5 1:0 Vz5 1:0 Vz5 1:0 E Vz4 1:4 Vz4 1:4 Vz4 1:4 Vz4 1:2 Vz4 1:2 Vz4 1:2 Vz4 1:1 Vz4 1:1 Vz4 1:1 Vz4 1:0 Vz4 1:0 Vz4 1:0 D Vz3 1:4 Vz3 1:4 Vz3 1:4 Vz3 1:2 Vz3 1:2 Vz3 1:2 Vz3 1:1 Vz3 1:1 Vz3 1:1 Vz3 1:0 Vz3 1:0 Vz3 1:0C Vz2 1:4 Vz2 1:4 Vz2 1:4 Vz2 1:2 Vz2 1:2 Vz2 1:2 Vz2 1:1 Vz2 1:1 Vz2 1:1 Vz2 1:0 Vz2 1:0 Vz2 1:0 B Vz1 1:4 Vz1 1:4 Vz1 1:4 Vz1 1:2 Vz1 1:2 Vz1 1:2 Vz1 1:1 Vz1 1:1 Vz1 1:1 Vz1 1:0 Vz1 1:0 Vz1 1:0 A 121110987654321