Abteilung Umwelttoxikologie

Der mTOR-Signalweg und seine Rolle in der Regulierung von chemischen Effekten auf das Fischwachstum


Bislang werden jährlich Tausende von Fischen für Toxizitätstests, die für die Umweltrisikobewertung von Chemikalien erforderlich sind, eingesetzt. Um den Einsatz von Tieren zu reduzieren, müssen alternative (tierfreie) Toxizitätstestmethoden entwickelt werden.

Wir verwenden permanente Fischzelllinien, um chemisch induzierte molekulare Veränderungen während des Zellwachstums und der Zellproliferation zu ermitteln. Die erhaltenen Erkenntnisse können wiederum zur Vorhersage der Auswirkungen von Chemikalien auf das Wachstum von Tieren verwendet werden. Wir konzentrieren uns dabei auf den mTOR-Signalweg (Engslisch: mechanistic target of rapamycin; mechanistische Ziel des Rapamycins), da (i) dieser einen wichtigen zellulären Signalweg darstellt, der an der Regulierung des Zellwachstums und der Zellproliferation in Eukaryonten beteiligt ist und (ii) es Hinweise gibt, dass der mTOR-Signalweg an der Vermittlung von chemikalieninduzierten Wachstumseffekten beteiligt sein könnte. Diese Wechselwirkungen wurden jedoch noch nicht systematisch erforscht, insbesondere bei aquatischen Organismen wie Fischen.

In unserem Projekt "Funktionalität des mTOR-Signalwegs in kultivierten Fischzellen und seine Rolle bei der Regulierung chemischer Effekte auf das Zell- und Populationswachstum den molekularen Mechanismen, die den Auswirkungen von Chemikalien auf das Wachstum von Zellpopulationen zugrunde liegen" verwenden wir in vitro kultivierte PAC2-Zellen des Zebrabärblings (Danio rerio) als Modell. Mit diesem Modell können wir die Architektur und Funktionalität des mTOR-Signalwegs sowie seine Anfälligkeit gegenüber Chemikalien und die damit verbundenen Auswirkungen auf das Wachstum und die Vermehrung von Fischzellen untersuchen. Die Aktivität des mTOR-Signalwegs wird hauptsächlich durch Proteinphosphorylierung reguliert. Eine umfassende Untersuchung der Aktivität des mTOR-Signalwegs in Fischen war bisher kaum möglich, da fischspezifische Antikörper für (de)phosphorylierte Proteine oft nicht verfügbar sind. Wir möchten dieses Problem lösen, indem wir einen massenspektrometriebasierten Arbeitsablauf für die gezielte Analyse der Phosphorylierungsdynamik ausgewählter Proteine innerhalb des mTOR-Signalwegs entwickeln. Diese Methode umfasst die Proteinextraktion und -verdauung, gefolgt von der Phosphopeptid-Anreicherung und massenspektrometrischen Analyse zur Quantifizierung von phosphorylierten und dephosphorylierten Proteinen unter Verwendung von isotopenmarkierten Peptidstandards.

Der etablierte Arbeitsablauf wird ein wertvolles Verfahren darstellen, um die phosphorylierungsbasierte molekulare Signalübertragung innerhalb des mTOR-Signalwegs in Fischzellen und somit in Fischen im Allgemeinen zu untersuchen. Dies könnte einen bedeutenden methodischen Fortschritt ermöglichen, da die entsprechenden Antikörper für Nicht-Säugetierproteine sonst nur selten verfügbar sind.

Die Phosphoprotein-Dynamik wird durch gezielte Modulation des mTOR-Signalwegs (d. h. De- oder Aktivierung des mTOR-Signalwegs unter Verwendung spezifischer pharmakologischer Inhibitoren oder Aktivatoren) sowie als Reaktion auf eine chemische Exposition gemessen. Die dadurch erhaltenen Erkenntnisse werden mit wachstumsbezogenen Ergebnissen und weiteren relevanten physiologischen Parametern in Fischzellen untersucht. Ein besseres Verständnis des mTOR-Signalwegs in Fischzellen hinsichtlich der Rolle bei der Regulierung des Zellwachstums und potenziellen Störung durch Chemikalien könnte einen Weg zur Entwicklung von neuen Toxizitätstests ohne Tierversuche eröffnen. Solche alternativen Testmethoden könnten zur Vorhersage von Chemikalien und dessen Wirkung auf das Fischwachstum verwendet werden, ohne dass dabei Fische verwendet werden müssen.

Publikationen

Groh, K. J.; Suter, M. F. -J. (2020) Mass spectrometry in ecotoxicology, In: Sidona, G.; Banoub, J. H.; Di Gioia, M. L. (Eds.), Toxic chemical and biological agents. Detection, diagnosis and health concerns, 93-108, doi:10.1007/978-94-024-2041-8_6, Institutional Repository
Tierbach, A.; Groh, K. J.; Schoenenberger, R.; Schirmer, K.; Suter, M. J. -F. (2020) Characterization of the mercapturic acid pathway, an important phase II biotransformation route, in a zebrafish embryo cell line, Chemical Research in Toxicology, 33(11), 2863-2871, doi:10.1021/acs.chemrestox.0c00315, Institutional Repository
Tierbach, A.; Groh, K. J.; Schönenberger, R.; Schirmer, K.; Suter, M. J. -F. (2018) Glutathione S-transferase protein expression in different life stages of zebrafish (Danio rerio), Toxicological Sciences, 162(2), 702-712, doi:10.1093/toxsci/kfx293, Institutional Repository
Groh, K. J.; Carvalho, R. N.; Chipman, J. K.; Denslow, N. D.; Halder, M.; Murphy, C. A.; Roelofs, D.; Rolaki, A.; Schirmer, K.; Watanabe, K. H. (2015) Development and application of the adverse outcome pathway framework for understanding and predicting chronic toxicity: II. a focus on growth impairment in fish, Chemosphere, 120, 778-792, doi:10.1016/j.chemosphere.2014.10.006, Institutional Repository
Groh, K. J.; Suter, M. J. -F. (2015) Stressor-induced proteome alterations in zebrafish: a meta-analysis of response patterns, Aquatic Toxicology, 159, 1-12, doi:10.1016/j.aquatox.2014.11.013, Institutional Repository

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