Induction of cytochrome P4501A1 by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin or indolo(3,2-b)carbazole is associated with oxidative DNA damage.

Induction of cytochrome P4501A1 (CYP1A1) in the hepatoma Hepa1c1c7 cell line results in an elevation in the excretion rate of 8-oxoguanine (oxo8Gua), a biomarker of oxidative DNA damage and the major repair product of 8-oxo-2'-deoxyguanosine (oxo8dG) residues in DNA. Treatment of this cell line with 2,3,7,8-tetrachloro-p-dibenzodioxin (TCDD), a nonmetabolized environmental contaminant, and indolo(3,2-b)carbazole (ICZ), a metabolite of a natural pesticide found in cruciferous vegetables, is shown to both induce CYP1A1 activity and elevate the excretion rate of oxo8Gua; 7,8-benzoflavone (7,8-BF or alpha-naphthoflavone), an inhibitor of CYP1A1 activity and an antagonist of the aryl hydrocarbon (Ah) receptor, reduced the excretion rate of oxo8Gua. The essential role of Ah-receptor, which mediates the induction of CYP1A1, is shown by the inability of TCDD to induce CYP1A1 and to increase excretion of oxo8Gua in Ah receptor-defective c4 mutant cells. While there was a significant 7.0-fold increase over 2 days in the excretion rate of oxo8Gua into the growth medium of TCDD-treated Hepa1c1c7 cells compared to control, no significant increase was detected in the steady-state level of oxo8dG in the DNA presumably due to efficient DNA repair. Thus, the induction of CYP1A1 appears to lead to a leak of oxygen radicals and consequent oxidative DNA damage that could lead to mutation and cancer.

Effet des pesticides MCPA et imidaclopride sur la régulation des voies de signalisation du récepteur à la dioxine (AhR) et au récepteur aux androgènes (AR)

Avec l’ère industrielle sont venus les polluants environnementaux. Ils sont de plus en plus pointés du doigt pour une variété d’effets indésirables en particulier pour leur potentiel à affecter la santé humaine. Les pesticides font partie de ces polluants et leurs usages ne font que croître depuis une vingtaine d’années. Ces produits qui servent à améliorer la production agricole en éliminant les pestes qui ravagent les récoltes sont souvent peu étudiés à long terme avant d’être homologués. L’effet perturbateur au niveau cellulaire et les effets à long terme de ces pesticides sont peu connus. Pour ce projet de maîtrise, nous avons observé l’effet de deux pesticides, l’imidaclopride et l’acide 2-methyl-4-chlorophenoxyacetic (MCPA), sur les voies de signalisation du récepteur à la dioxine (AhR) et du récepteur aux androgènes (AR). L’imidaclopride est un insecticide de la famille des néonicotinoïdes, une classe de plus en plus utilisée. Ce pesticide est surtout connu pour être en lien avec le déclin des colonies d’abeilles depuis une décennie. Le MCPA est un des herbicides les plus utilisés au Québec, il est persistant et souvent retrouvé dans les eaux de la province. Nous avons traité des cellules du cancer du sein et des cellules du cancer de la prostate avec ces pesticides et nous avons vérifié si leur présence perturbait les deux voies de signalisation cellulaire à l’étude. Le récepteur AhR est un facteur de transcription activé par un ligand. Le TCDD, une dioxine, est le meilleur ligand exogène connu à ce jour de ce récepteur. Par contre, ses ligands naturels, des dérivés du tryptophane ou des facteurs de virulence de bactéries, l’activent de façon beaucoup moins forte. Lors de l’activation de la voie AhR, les gènes CYP1A1 et CYP1B1 sont transcrits et codent pour des enzymes du cytochrome P450 qui transforment les ligands en produits plus facilement éliminables. Dans un contexte où de l’œstradiol (E2) est présent dans les cellules, il y a une interaction croisée entre le récepteur à l’œstrogène (ER) et le récepteur AhR, qui fait en sorte que l’expression de CYP1A1 est réprimée. Cela se traduit en un ratio d’enzyme CYP1A1 à CYP1B1 différent qui pourrait augmenter la possibilité d’une accumulation de métabolites génotoxiques. En effet, CYP1B1 hydroxyle le ligand d’AhR mais aussi l’œstradiol en 4-hydroxyœstradiol (4-OHE), dont l’accumulation peut amener des mutations dans l’ADN alors que l’enzyme CYP1A1 l’hydroxyle en 2-hydroxyœstradiol (2-OHE), qui n’as aucun effet néfaste répertorié sur la cellule. Dans les cellules du cancer du sein, le MCPA appliqué en champs induisait fortement l’expression de CYP1B1 comparable à l’échantillon traité au témoin positif (TCDD), alors que CYP1A1 l’était que très légèrement par rapport au témoin non-traité. Au niveau protéique, CYP1A1 n’était qu’exprimée dans le témoin positif (TCDD) et ce, en quantité moindre lorsqu’il y avait présence d’œstradiol. CYP1B1 était fortement exprimée dans l’échantillon de TCDD, ce qui était attendu, mais aussi dans tous les échantillons traités au MCPA de NuFarm. Ces effets ne sont pas notés avec l’ingrédient actif du MCPA. La présence d’un ou plusieurs autres produits ajoutés dans le MCPA de la compagnie NuFarm en combinaison avec l’ingrédient actif pourrait activer la voie de signalisation d’AhR et causer ce débalancement dans l’expression des gènes CYP1A1 et CYP1B1. Nos résultats indiquent que plusieurs concentrations de l’ingrédient actif de l’imidaclopride ne perturbe pas les voies cellulaires d’AhR ni AR, alors que, le MCPA perturbe ces deux voies cellulaires. Par contre, c’est seulement celui produit par la compagnie NuFarm qui est utilisé en champs. Cette formulation appliquée en terrain agricole inclut l’ingrédient actif ainsi que les antigels, les surfactants et les adjuvants qui permettent au produit d’être plus efficace. L’ingrédient actif du MCPA seul n’affectait pas les deux voies. Le récepteur aux androgènes (AR) est aussi un facteur de transcription qui se lie à l’ADN afin de réguler l’expression des gènes et il est particulièrement important pour le développement et le maintien du phénotype masculin. Depuis une vingtaine d’années, des problèmes de baisse de libido et de fertilité s’accentuent dans notre société et semblent être reliés à la baisse de testostérone des hommes (Travison et al. 2007). Cette molécule est d’ailleurs un des deux ligands du récepteur AR, le deuxième étant la 5-dihydrotestostérone (DHT). Le facteur environnemental plutôt que le mode de vie semble être un facteur déterminant dans l’étude qui portait sur ce déclin. Les pesticides ont déjà été soupçonnés pour avoir un potentiel anti-androgénique, mais aucune étude ne fait un lien de causalité direct. Dans le projet de maitrise présenté dans ce document, l’expression des gènes marqueurs PSA (antigène spécifique de la prostate) et PCA3 (antigène du cancer de la prostate) a été quantifiée pour savoir si les pesticides ont un effet perturbateur sur la voie du récepteur AR. Dans les cellules du cancer de la prostate, l’expression de PSA et PCA3 était semblable au non-traité dans l’échantillon traité au MCPA (NuFarm), et ce, même après l’ajout de DHT, qui active l’expression de ces deux gènes. Cette fois-ci, l’ingrédient actif seul faisait en sorte que les deux gènes marqueurs étaient moins exprimés lors de l’ajout de la DHT, par rapport au témoin. Il semblerait que l’ingrédient actif est à la base de ce changement d’expression de nos gènes marqueurs. Donc, le MCPA pourrait avoir un effet anti-androgénique dans les cellules du cancer de la prostate. Donc, le MCPA est un pesticide qui affecte les voies de signalisation cellulaires AhR et AR. Il est particulier de noter que le pesticide appliqué en champ perturbe nettement plus les voies cellulaires. Il sera important de continuer à étudier les effets des pesticides sur l’homme au niveau cellulaire et de comprendre comment ils pourraient contribuer au développement du cancer.

Recombinant expression of Aryl Hydrocarbon Receptor for quantitative ligand-binding analysis

Recombinant expression of the Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) yields small amounts of ligand- binding competent AhR. Therefore, Spodoptera frugiperda (Sf9) cells and baculovirus have been evaluated for high level and functional expression of AhR. Rat and human AhR were expressed as soluble protein in significant amounts. Expression of ligand-binding competent AhR was sensitive to the protein concentration of Sf9 extract, and co-expression of the chaperone p23 failed to affect the yield of functional ligand-binding AhR. The expression system yielded high levels of functional protein, with the ligand-binding capacity (Bmax) typically 20- fold higher than that obtained with rat liver cytosol. Quantitative estimates of the ligand-binding affinity of human and rat AhR were obtained; the Kd for recombinant rat AhR was indistinguishable from that of native rat AhR, thereby validating the expression system as a faithful model for native AhR. The human AhR bound TCDD with significantly lower affinity than the rat AhR. These findings demonstrate high-level expression of ligand-binding competent AhR, and sufficient AhR for quantitative analysis of ligand-binding.

2-(4-Amino-3-methylphenyl)-5-fluorobenzothiazole is a ligand and shows species-specific partial agonism of the Aryl Hydrocarbon Receptor

2-(4-Amino-3-methylphenyl)-5-fluorobenzothiazole (5F 203) and related compounds are a series of anti-cancer candidate pharmaceuticals (Table 1.), that have been shown to activate the AhR. We show that these compounds are high affinity ligands for the rat AhR, but a quantitative assay for their ability to induce CYP1A1 RNA in H4IIEC3 cells, a measure of activation of the AhR, showed a poor relationship between affinity for the AhR and ability to induce CYP1A1 RNA. 5F 203, an agonist with low potency, was able to antagonise the induction of CYP1A1 RNA by TCDD, while IH 445, a potent agonist, did not antagonise the induction of CYP1A1 RNA by TCDD, and Schild analysis confirmed 5F 203 to be a potent antagonist of the induction of CYP1A1 RNA by TCDD in H4IIEC3 cells. In contrast, several benzothiazoles show potent induction of CYP1A1 RNA in human MCF-7 cells, and 5F 203 is unable to detectably antagonise the induction of CYP1A1 RNA in MCF-7 cells, showing a species difference in antagonism. Evaluation of the antiproliferative activity of benzothiazoles showed that the ability to agonise the AhR correlated with growth inhibition both in H4IIEC3 cells for a variety of benzothiazoles, and between H4IIEC3 and MCF-7 cells for 5F 203, suggesting an important role of agonism of the AhR in the anti-proliferative activity of benzothiazoles.