Genotoxic effects of widely used aliphatic alcohols using Drosophila melanogaster as a model system

Abstract

El estudio del efecto genotóxico de agentes xenobióticos se ha centrado tradicionalmente en la detección de daños que involucran al DNA y a los cromosomas entre los posibles blancos de ataque. En la actualidad la evaluación de un compuesto en cuanto a su acción deletérea sobre el genoma, debería incluir un análisis del efecto sobre la segregación cromosómica, ya que los blancos de acción pueden ser diferentes del ADN. El interes se debe al gran impacto de las aneuploidías en patología humana y a la creciente exposición a compuestos con capacidad potencial para actuar como aneugenos. La exposición a un agente que no afecta al ADN, no puede considerarse segura desde el punto de vista genético hasta tanto no sea evaluado su efecto aneugénico. En humanos, las aneuploidías en la línea germinal son frecuentes y tienen graves consecuencias, se considera que son causa del 5 al 7% de las muertes en niños y del 35% de los abortos espontáneos. Los individuos que sobreviven con números cromosómicos normales presentan severas discapacidades físicas y/o mentales. En las células somáticas las aneuploidías también juegan un papel importante, ya que existem evidencias crrecientes de que pueden ser determinantes en las etapas tempranas y/o tardías de los procesos de transformación celular y carcinogénesis, debido a la pérdida de heterocigosis. En esta misma línea están las pruebas de mutación y recombinación somatica (SMART, Somatic Mutation and Recombination Tests), un conjunto de ensayos capaces de identificar agentes mutagénicos o recombinagénicos potencialmente inductores de pérdida de heterocigosis. En este trabajo de Tesis se caracterisó el posible efecto mutagénico, recombinagénico y aneugénico en línea somática y germinal de Drosophila melanogaster producido por exposición a alcoholes alifáticos de cadena corta: etanol (EtOH), isopropanol (IPA) y metanol(MetOH). El conocimiento de los efectos genéticos de estos alcoholes es escaso o contradictorio y su metabolismo es muy semejante en humanos y en drosophila, siendo este organismo una excelente modelo de estudio para la evaluación de la toxicidad, genotoxicidad y teratogénicidad in vivo de alcoholes alifáticos de amplio uso. Con este objetivo se realizaron tratamientos agudos por vía inhalatoria, con los alcoholes (EtOH, IPA, MetOH) y sus primarios (acetaldehido=AAld, acetona=AcetO, formaldehído=FAld). Cuando se quiso evaluar el efecto de tratamientos crónicos las larvas fueron criadas en medio con el compuesto. Los resultados obtenidos indican que los tres alcoholes, EtOH, IPA y MetOH exhiben toxicidad y genotoxicidad diferencial en drosophila en las condiciones experimentales aplicadas. El grado de toxicidad demostrado en orden decreciente es: MetOH, EtOH e IPA. Los tres alcoholes presentan toxicidad reproductiva, disminuyendo la fertilidad de las hembras tratadas. El EtOH demostró afectar el desarrollo de larvas de Drosophila e inducir malformaciones congénitas. La genotoxicidad de los alcoholes alifáticos de cadena corta se manifiesta por su capacidad de inducción de no disyunción (ND) cromosómica. El grado de inducción de ND en orden decreciente es: IPA,EtOH y MetOH, guardando una relación inversa con la toxicidad. El MetOH actuaría como aneugeno indirecto, ya que su metabolismo, el FAld, es más genotóxico que el alcohol mismo. El EtOH y el IPA son aneugenos directos y sus respectivos metabolitos, el AAld y la AcetO, no afectan de manera significativa la disyunción cromosómica o muestran un efecto comparativamente menor que el de sus alcoholes de origen. En la línea germinal, los oocitos que están en las etapas más tardías de la diferenciación son los más afectados por los tratamientos con estos alcoholes. En la línea somática el efecto no es concluyente. Drosophila melanogaster es el modelo biológico de la elección para monitorear el daño inducido por alcoholes, permitiendo la extrapolación a otros organismos superiores en general y al hombre en particular.The study of genotoxic effects of xenobiotics has been traditionally focused on DNA and chromosome damage. Nowadays, any evaluation of deleterious consequences exerted by any agent on the genome should necessary include the analysis of chromosome segregation, since the target of xenobiotics may be different from DNA itself. The study of aneuploidy is of interest due to its great impact on human health and the abundance of environmental agents with the capacity of acting as potential aneugenes. Exposition to a certain compound that has proved harmless regarding segregation has been discarded. In humans aneuploidy is quite common and has serious consequences. It may be the cause of around 5-7% infant deaths and it has been detected in 35% of all spontaneous abortions. Moreover, surviving individuals with abnormal chromosome sets are physically and/or mentally hadicape. The occurrence of aneuploidy in somatic cells is also of great interest since it may play a critical role in cell transformation and carcinogenesis, due to the loss of heterocigosity that may be induced. Somatic Mutation and Recombination Test (SMART) are also very useful to identify mutagenic and/or recombinagenic agents that result in the expression of recessive genes, wich may be involved in early and/or late steps in cancer development. The aim of the present Thesis was to characterize the potential mutagenic, recombinagenic and/or aneugenic effect of three short chain aliphatic alcohols, ethanol (EtOH), isopropanol (IPA) and methanol (MetOH), on somatic and germinal cells line in Drosophila melanogaster. The Knowledge about genetic consequences of the exposition to these alcohols in scarce or contradictory. Alcohol metabolism is similar in humans and Drosophila, thus this eukaryote has become a useful model in the in vivo evaluation of toxicicity, genotoxicicity and teratogenicity of the above mentioned aliphatic alcohols. Acute inhalation treatments with EtOH, IPA and MetOH, and with the corresponding primary metabolites, acetaldehyde (AAld), acetone (AcetO) and formaldehyde (FAld) were performed. To evaluate the consequence of chronic treatments, the compounds were added to the larva growth media. The results obtained show that all three alcohols, EtOH, IPA and MetOH exhibit differential toxicicity and genotoxicicity in Drosophila. The toxicicity of the alcohols in decrescent order is: MetOH, EtOH e IPA. All three alcohols show reproductive toxicicity, because fertitlity in treated females is lower than controls. Besides, EtOH exhibited developmental toxicicity in Drosophila larvae and induction of congenital malformations. Short chain aliphatic alcohols genotoxicity is expressed as a significant increase in chromosomal non-disjunction (ND) rates. The degree of induction of ND is inverse relative to the toxicity, thus IPA treated series show the highest level of ND in the progeny, being EtOH and MetOH less aneugemic. The MetOH is probably an indirect aneugenic agent, since the FAld is more active as genotoxic than the alcohol itself. The other two alcohols, EtOH and IPA act as direct mutagens in the induction of aneuploidy, and their metabolites, AAld and AcetO, do not effect chromosomal disjunction or show a comparatively lower effect than the alcohol from which they derive. In germ cells, mature oocytes are sensible to the drug treatments while less mature stages are not. The effects exerted by alcohols in somatic cells are inconclusive. Drosophila melanogaster has proven to be a useful biological model to monitor genetic damage induced by short chain aliphatic alcohols, because the results can be extrapolated to other organism including man.Fil:Palermo, Ana María. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina