Measuring and modelling mixture toxicity of imidacloprid and thiacloprid on Caenorhabditis elegans and Eisenia fetida

While the standard models of concentration addition and independent action predict overall toxicity of multicomponent mixtures reasonably, interactions may limit the predictive capability when a few compounds dominate a mixture. This study was conducted to test if statistically significant systematic deviations from concentration addition (i.e. synergism/antagonism, dose ratio- or dose level-dependency) occur when two taxonomically unrelated species, the earthworm Eisenia fetida and the nematode Caenorhabditis elegans were exposed to a full range of mixtures of the similar acting neonicotinoid pesticides imidacloprid and thiacloprid. The effect of the mixtures on C. elegans was described significantly better (p<0.01) by a dose level-dependent deviation from the concentration addition model than by the reference model alone, while the reference model description of the effects on E. fetida could not be significantly improved. These results highlight that deviations from concentration addition are possible even with similar acting compounds, but that the nature of such deviations are species dependent. For improving ecological risk assessment of simple mixtures, this implies that the concentration addition model may need to be used in a probabilistic context, rather than in its traditional deterministic manner. Crown Copyright (C) 2008 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

MEASUREMENT AND MODELING OF THE TOXICITY OF BINARY MIXTURES IN THE NEMATODE CAENORHABDITIS ELEGANS-A TEST OF INDEPENDENT ACTION

Ecological risk assessments must increasingly consider the effects of chemical mixtures on the environment as anthropogenic pollution continues to grow in complexity. Yet testing every possible mixture combination is impractical and unfeasible; thus, there is an urgent need for models that can accurately predict mixture toxicity from single-compound data. Currently, two models are frequently used to predict mixture toxicity from single-compound data: Concentration addition and independent action (IA). The accuracy of the predictions generated by these models is currently debated and needs to be resolved before their use in risk assessments can be fully justified. The present study addresses this issue by determining whether the IA model adequately described the toxicity of binary mixtures of five pesticides and other environmental contaminants (cadmium, chlorpyrifos, diuron, nickel, and prochloraz) each with dissimilar modes of action on the reproduction of the nematode Caenorhabditis elegans. In three out of 10 cases, the IA model failed to describe mixture toxicity adequately with significant or antagonism being observed. In a further three cases, there was an indication of synergy, antagonism, and effect-level-dependent deviations, respectively, but these were not statistically significant. The extent of the significant deviations that were found varied, but all were such that the predicted percentage effect seen on reproductive output would have been wrong by 18 to 35% (i.e., the effect concentration expected to cause a 50% effect led to an 85% effect). The presence of such a high number and variety of deviations has important implications for the use of existing mixture toxicity models for risk assessments, especially where all or part of the deviation is synergistic.

The two Caenorhabditis elegans metallothioneins (CeMT-1 and CeMT-2) discriminate between essential zinc and toxic cadmium

The nematode Caenorhabditis elegans expresses two metallothioneins (MTs), CeMT-1 and CeMT-2, that are believed to be key players in the protection against metal toxicity. In this study, both isoforms were expressed in vitro in the presence of either Zn(II) or Cd(II). Metal binding stoichiometries and affinities were determined by ESI-MS and NMR, respectively. Both isoforms had equal zinc binding ability, but differed in their cadmium binding behaviour, with higher affinity found for CeMT-2. In addition, wild-type C. elegans, single MT knockouts and a double MT knockout allele were exposed to zinc (340 μm) or cadmium (25 μm) to investigate effects in vivo. Zinc levels were significantly increased in all knockout strains, but were most pronounced in the CeMT-1 knockout, mtl-1 (tm1770), while cadmium accumulation was highest in the CeMT-2 knockout, mtl-2 (gk125) and the double knockout mtl-1;mtl-2 (zs1). In addition, metal speciation was assessed by X-ray absorption fine-structure spectroscopy. This showed that O-donating, probably phosphate-rich, ligands play a dominant role in maintaining the physiological concentration of zinc, independently of metallothionein status. In contrast, cadmium was shown to coordinate with thiol groups, and the cadmium speciation of the wild-type and the CeMT-2 knockout strain was distinctly different to the CeMT-1 and double knockouts. Taken together, and supported by a simple model calculation, these findings show for the first time that the two MT isoforms have differential affinities towards Cd(II) and Zn(II) at a cellular level, and this is reflected at the protein level. This suggests that the two MT isoforms have distinct in vivo roles.

Caenorhabditis elegans as a model to screen plant extracts and compounds as natural anthelmintics for veterinary use

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Anthelmintic effect of plant extracts containing condensed and hydrolyzable tannins on Caenorhabditis elegans, and their antioxidant capacity

Although tannin-rich forages are known to increase protein uptake and to reduce gastrointestinal nematode infections in grazing ruminants, most published research involves forages with condensed tannins (CT), while published literature lacks information on the anthelmintic capacity, nutritional benefits, and antioxidant capacity of alternative forages containing hydrolyzable tannins (HT). We evaluated the anthelmintic activity and the antioxidant capacity of plant extracts containing either mostly CT, mostly HT, or both CT and HT. Extracts were prepared with 70% acetone, lyophilized, redissolved to doses ranging from 1.0mg/mL to 25mg/mL, and tested against adult Caenorhabditis elegans as a test model. The extract concentrations that killed 50% (LC50) or 90% (LC90) of the nematodes in 24h were determined and compared to the veterinary anthelmintic levamisole (8mg/mL). Extracts were quantified for CT by the acid butanol assay, for HT (based on gallic acid and ellagic acid) by high-performance liquid chromatography (HPLC) and total phenolics, and for their antioxidant activity by the oxygen radical absorbance capacity (ORAC) assay. Extracts with mostly CT were Lespedeza cuneata, Salix X sepulcralis, and Robinia pseudoacacia. Extracts rich in HT were Acer rubrum, Rosa multiflora, and Quercus alba, while Rhus typhina had both HT and CT. The extracts with the lowest LC50 and LC90 concentrations, respectively, in the C. elegans assay were Q. alba (0.75 and 1.06mg/mL), R. typhina collected in 2007 (0.65 and 2.74mg/mL), A. rubrum (1.03 and 5.54mg/mL), and R. multiflora (2.14 and 8.70mg/mL). At the doses of 20 and 25mg/mL, HT-rich, or both CT- and HT-rich, extracts were significantly more lethal to adult C. elegans than extracts containing only CT. All extracts were high in antioxidant capacity, with ORAC values ranging from 1800μmoles to 4651μmoles of trolox equivalents/g, but ORAC did not correlate with anthelmintic activity. The total phenolics test had a positive and highly significant (r=0.826, p≤0.01) correlation with total hydrolyzable tannins. Plants used in this research are naturalized to the Appalachian edaphoclimatic conditions, but occur in temperate climate areas worldwide. They represent a rich, renewable, and unexplored source of tannins and antioxidants for grazing ruminants, whereas conventional CT-rich forages, such as L. cuneata, may be hard to establish and adapt to areas with temperate climate. Due to their high in vitro anthelmintic activity, antioxidant capacity, and their adaptability to non-arable lands, Q. alba, R. typhina, A. rubrum, and R. multiflora have a high potential to improve the health of grazing animals and must have their anthelmintic effects confirmed in vivo in both sheep and goats. © 2012.

Metodologia para quantificar ricina em sementes de mamona com o uso de Caenorhabditis elegans

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Expressions- und Funktionsanalysen von "Tetraspan Vesicle Membrane Proteins" in Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind ubiquitäre Komponenten von Transportvesikeln. Bei den Säugetieren unterscheidet man drei Familien, die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins). Ihre Funktion ist weitgehend unbekannt, es wird jedoch vermutet, dass sie eine Rolle bei der Vesikelbildung und der Vesikelrezirkulierung spielen. In Caenorhabditis elegans existiert von jeder Familie jeweils nur ein einziges Polypeptid: für die Physine Synaptophysin (SPH-1), für die Gyrine Synaptogyrin (SNG-1) und für die SCAMPs SCAMP (SCM-1). Ziel der Arbeit war es die Verteilung der C. elegans TVPs zu untersuchen und ihre Funktion unter besonderer Berücksichtigung der vesikelvermittelten synaptischen Kopplung zu bestimmen. Wenn die C. elegans TVPs in humanen Epithelzellen synthetisiert werden, lokalisieren sie in zytoplasmatischen Vesikeln. In Kotransfektionsexperimenten wurde gezeigt, dass sie größtenteils in den gleichen Strukturen enthalten sind. In C. elegans synthetisierte TVP-Reporterkonstrukte können in unterschiedlichen Geweben nachgewiesen werden. Dabei ist SNG-1 fast ausschließlich in Neuronen zu finden. SPH-1 und SCM-1 hingegen weisen komplexe und teilweise überlappende Verteilungsmuster auf. Während für SPH-1 eine starke Fluoreszenz im Pharynx, auf der apikalen Seite der Darmzellen oberhalb des sog. terminal webs und in adluminalen Regionen von exkretorischen Geweben gefunden wurde, war SCM-1 stark in der Muskulatur und den Coelomozyten vertreten. Die Expression von SCM-1 in Pharynx und Darm war deutlich schwächer. Die C. elegans TVPs werden früh in der Entwicklung ab der Gastrulation (SPH-1 und SCM-1) bzw. ab der Neurulation im sog. Komma-Stadium (SNG-1) produziert. Um die Funktion der TVPs in C. elegans zu untersuchen, wurden TVP-Mutanten analysiert. Durch Kombination aller drei TVP-Gen-Mutanten wurden TVP-Dreifachmutanten generiert. Diese wiesen keinen offensichtlichen Defekt im Bewegungsmuster auf, entwickelten sich normal und bildeten ein normales Nervensystem aus. Auch auf unterschiedliche chemische und physikalische Reize in sensorischen Tests reagierten die TVP-Dreifachmutanten in gleicher Weise wie Wildtyptiere. Ebenso zeigen die TVP-Dreifachmutanten elektrophysiologisch unter normalen Bedingungen keine anormalen Reaktionsmuster. In ultrastrukturellen Untersuchungen wurde lediglich eine signifikant erhöhte Anzahl Clathrin-ummantelter Vesikel in cholinergen Synapsen gefunden. Erst unter Stressbedingungen, hervorgerufen durch den GABA-Antagonisten Pentylentetrazol (PTZ), wiesen sowohl die TVP-Dreifach- als auch die TVP-Einzelmutanten eine deutlich erhöhte Krampfbereitschaft auf. Zusammengenommen zeigen die Analysen, dass TVPs zwar für grundlegende neuronale Prozesse nicht notwendig sind, dass sie aber auf der anderen Seite vermutlich an alternativen redundanten Wegen der Neurotransmitterfreisetzung beteiligt sind.

Genetische und funktionelle Analyse von Vesikelmembranprotein-Mutanten in Maus und Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind konservierte, ubiquitär vorkommende Membranproteine synaptischer Vesikel und zytoplasmatischer Transportvesikel. Bei Säugetieren lassen sie sich in die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins) unterteilen, die im Nematoden C. elegans jeweils nur durch ein einzelnes Polypeptid vertreten sind (Synaptophysin-1 [SPH-1], Synaptogyrin-1 [SNG-1] und SCAMP-1 [SCM-1]). Obwohl den TVPs eine Beteiligung bei der Regulation des Vesikelzyklus zugesprochen wurde, sind Synaptophysin-1-Knockout-Mäuse und vollständig TVP-defiziente Würmer gesund und weisen nur geringgradige Veränderungen auf. In dieser Arbeit sollten daher zum einen genomweite komparative Transkriptomanalysen durchgeführt werden, um mögliche Kompensationsmechanismen in der Maus und C. elegans zu finden, zum anderen sollten mit Hilfe pharmakologischer Stressassays und genetischer Verfahren Schwachstellen und Redundanzen identifiziert werden. Erstaunlicherweise konnten durch Affymetrix GeneChip-Analysen der RNA in der Retina von Synaptophysin-1-/--Mäusen keine differenziell exprimierten Gene gefunden werden. Bei der Untersuchung der C. elegans-TVP-Dreifachmutante wurden hingegen 17 Gene mit erhöhter und 3 mit erniedrigter Transkription identifiziert. Die Befunde für 12 hochregulierte Gene wurden durch quantitative Real-Time RT-PCR bestätigt. Das am stärksten hochregulierte Gen arf-1.1 kodiert für eine GTPase, die vermutlich an der Regulation der Vesikelbildung beteiligt ist. Von den ebenso identifizierten Genen cdr-2, cdr-4 und pgp-9 ist bekannt, dass sie in Stresssituationen, z. B. in Gegenwart von Cadmium, verstärkt transkribiert werden. ugt-62 und ugt-19 kodieren für Glucuronosyltransferasen. Für arf-1.1, cdr-2, ugt-62 sowie für das Gen T16G1.6, das für eine coiled-coil-Domäne kodiert, wurden im Folgenden fluoreszierende Promoterkonstrukte hergestellt, um Koexpressionsmuster mit TVPs zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass alle vier Promoterkonstrukte im Darm zusammen mit SPH-1 und SCM-1 im Darm transkribiert werden. Mit fluoreszierenden Translationschimären konnte weiterhin gezeigt werden, dass ARF-1.1 und CDR-2 mit den Darm-spezifischen TVPs im apikalen Bereich der Darmzellen kolokalisieren. Um mehr über die Funktion von TVPs im Vesikelzyklus zu erfahren, wurden pharmakologische und genetische Analysen von Würmern durchgeführt, in denen die Expression des Neuronen-spezifischen SNG-1 verändert ist. Deletion oder Überexpression führte zu einer Resistenz gegenüber dem Acetylcholinesterase-Inhibitor Aldicarb und zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem GABA-Rezeptor-Antagonisten Pentylentetrazol. Auf genetischer Ebene zeigte sich, dass sng-1 synthetisch mit den Genen für Synaptotagmin-1, Endophilin A sowie Synaptojanin wirkt. Die beobachteten Effekte weisen auf alternative Funktionen in der synaptischen Übertragung hin und unterstützen zugleich die Hypothese, dass SNG-1 im synaptischen Vesikelzyklus eine wichtige Funktion erfüllt, die möglicherweise einem noch unbekannten redundanten Kompartiment-spezifischen Signalweg der synaptischen Transmission zuzuordnen ist.

Identifizierung und Charakterisierung von Intermediärfilament-Organisatoren in Caenorhabditis elegans

Intermediärfilamente (IFs) sind neben Mikrotubuli und Aktinfilamenten die dritte filamentäre Komponente des Zytoskeletts. Sie wirken als mechanische Stabilisatoren, sind außerdem an Zelldifferenzierung, Proliferation und Apoptose beteiligt und tragen zu Zellpolarität bei. IFs sind dynamische Strukturen, die zelltypspezifisch in unterschiedlichen Anordnungen und Abundanzen vorkommen und von Signalkaskaden beeinflusst werden. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieser fein abgestimmten Prozesse sind weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit sollte deswegen ein Tiermodell entwickelt werden, um Regulatoren der IF-(Netzwerk)-Organisation in vivo zu untersuchen und zu identifizieren. Dazu wurde C. elegans ausgewählt, da es sich hierbei um einen genetisch gut charakterisierten und leicht manipulierbaren Organismus handelt, in dessen Genom elf Gene für zytoplasmatische IFs kodieren. Zunächst wurden stabil transgene C. elegans-Linien generiert, die fluoreszierende IFs exprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass das darmspezifische IFB-2::CFP im Bereich des apikalen Junktionskomplex verankert ist und nahezu vollständig im subapikalen Terminalgeflecht der Enterozyten lokalisiert, das als Teil der endotube besonders stabil und widerstandsfähig ist. Wenn diese Tiere mit dsRNA gegen das ebenfalls im Terminalgeflecht exprimierte IF ifc-2 behandelt wurden, entwickelten sich blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens, die auf eine Schwächung der rigiden und formgebenden endotube hinwiesen und damit einen direkten in vivo-Beweis für die stressprotektive Funktion des intestinalen IF-Netzwerks lieferten. Die leichte Detektierbarkeit des IFB-2::CFP-Musters wurde in einem optischen Screen ausgenutzt, bei dem nach chemischer Mutagenese nach Veränderungen im IF-Muster gefahndet wurde. Hierbei wurden drei Mutanten isoliert. In Komplementationsanalysen stellte sich heraus, dass es sich in zwei Fällen um Allele desselben Gens handelt. Die Identifizierung der betroffenen Gene gelang durch eine PCR-basierte Kartierung von single nucleotide polymorphisms nach Verpaarung mit dem Hawaii-Stamm (snp-mapping) und anschließender RNAi-Analyse der Einzelgene in den identifizierten Chromosomenabschnitten. Im einen Fall handelte es sich um das sma-5-Gen, einer Serin/Threonin-Kinase mit Homologie zu den MAP-Kinasen MAPK7/ERK5 der Säuger. Hier wurden, ebenso wie beim ifc-2 (RNAi)-Phänotyp, progressive blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens beobachtet. Die beiden anderen Allele tragen Mutationen in einem bisher nicht näher charakterisierten Gen. In diesen Würmern kommt es zu einem vollständigen Auflösung des IFB-2::CFP-Netzwerks mit prominenten Akkumulationen um die apikalen Junktionen. Das Darmlumen ist stellenweise geweitet und das elektronendichte Terminalgeflecht fehlt fast vollständig, die Integrität des Darmepithels ist jedoch nicht kompromittiert. Die anderen IFs des Terminalgeflechts sind ebenfalls fehlverteilt, und die intestinale Expression von Aktin ist stark reduziert. Expressionskonstrukte des Gens zeigten weiterhin, dass es darmspezifisch synthetisiert wird und mit den IFs im Terminalgeflecht kolokalisiert. Das Protein ist, ähnlich wie das IF-assoziierte Filaggrin der Säuger ausgesprochen histidinreich. Es enthält außerdem eine Prolin-reiche Domäne, die Teil einer potentiellen Aktin-Bindedomäne ist. Auf Grund all dieser Eigenschaften wird die Bezeichnung IFO-1 (intermediate filament organizer) für das neue Protein vorgeschlagen, das möglicherweise als struktureller Zytoskelett-Linker wirkt. Die vorgestellten Ergebnisse untermauern die Bedeutung von C. elegans für die Identifizierung von Faktoren, die IF-Netzwerke regulieren, und die Möglichkeit, Defekte im lebenden Gesamtorganismus zu bestimmen.