ЕПІГЕНЕТИЧНІ ЕФЕКТИ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА НА ПРИКЛАДІ КАДМІЮ

Островська С. С., Абрамов С. В., Дичко Є. Н., Виселко А. Д., Коновалова О. С., Данільченко А. К.

ОГЛЯДИ ЛІТЕРАТУРИ

Наукова стаття

В огляді представлені сучасні уявлення про значення епігеномних змін, спричинених токсичними факторами довкілля, таких як кадмій (Cd), на реалізацію фенотипу в процесі експресії генів. Центральна та абсолютна догма генетики, яка полягала в тому, що інформація в клітинах тече тільки в одному напрямку, від ДНК до РНК, а потім до білків, в даний час по суті розвінчена через роль некодуючих РНК та гістонових білків у модуляції експресії генів без змін генетичного коду чи самої послідовності ДНК. Область токсикоепігеноміки, що вивчає взаємозв’язок між епігенетичними змінами та статусом захворювання у відповідь на вплив важких металів, в даний час знаходиться на передньому краї науки. Ці дані з успіхом використовуються як біомаркери результатів впливу факторів навколишнього середовища, а також як предиктори захворювань. Епігенетичні модифікації можуть бути спадковими, наприклад, при впливі токсикантів на матір під час вагітності. Є все більше доказів того, що кадмій (Cd), може виявляти свою токсичність через некодуючі мікроРНК (міРНК), викликаючи аберантні зміни їхньої експресії, що безпосередньо пов’язані з різними патофізіологічними станами та сигнальними шляхами. Дослідження епігенетичних змін у рослин спрямовані на визначення профілів патернів експресії міРНК у реакціях на біотичні та абіотичні стреси, спричинені Cd. Вони мінімізують окисний стрес та можуть бути ключовими мішенями для генетичних маніпуляцій в отриманні позитивних результатів, включаючи стійкість до посухи, екстремальних умов зростання та стійкість до дії токсиканту. В експерименті на тваринах виявлений шкідливий для нормальної клітинної функції профіль експресії та дизрегуляції міРНК, що в кінцевому підсумку призводить до розвитку різних захворювань та до трансформації нормальної клітини у ракову. На мишах виявлено специфічні патерни експресії міРНК, які є потенційними ранніми біомаркерами впливу канцерогенів. На відміну від генетичних змін, які важко повернути назад, епігенетичні аберації можуть бути оборотні завдяки фармацевтичним препаратам. Інструменти епігенетики використовуються як профілактичні, діагностичні та терапевтичні маркери.

епігенетичні модифікації,некодуючі міРНК,експресія генів,кадмій,епігенетичні механізми як профілактичні,діагностичні та терапевтичні маркери

1. Tоth G, Hermann T, Da Silva M.R, Montanarella L. Heavy metals in agricultural soils of the European Union with implications for food safety. Environment International. 2016;88:299-309.
2. Liu Q, Li X, He L. Health risk assessment of heavy metals in soils and food crops from a coexist area of heavily industrialized and intensively cropping in the Chengdu Plain, Sichuan, China. Frontiers in Chemistry. 2022:10:988587.
3. Fu Z, Xi S. The effects of heavy metals on human metabolism. Toxicology Mechanisms and Methods. 2020;30(3):167-176.
4. Renu K, Chakraborty R, Myakala H, Koti R, Famurewa A.C, Madhyastha H, et al. Molecular mechanism of heavy metals (Lead, Chromium, Arsenic, Mercury, Nickel and Cadmium – induced hepatotoxicity – A review. Chemosphere. 2021;271:129735.
5. Ray PD, Yosim A, Fry RC. Incorporating epigenetic data into the risk assessment process for the toxic metals arsenic, cadmium, chromium, lead, and mercuyr: Strategies and challenges. Frontiers in Genetics. 2014;5:1-26.
6. Jeffries M.A. The Development of Epigenetics in the Study of Disease Pathogenesis. Advances in Experimental Medicine and Biology. 2020;1253:57-94.
7. Genchi G, Sinicropi MS, Lauria G, Carocci A, Catalano A. The Effects of Cadmium Toxicity. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020;17(11):3782.
8. Zhang L, Lu Q, Chang C. Epigenetics in Health and Disease. Advances in Experimental Medicine and Biology. 2020;1253:3-1255.
9. Wallace DR, Taalab YM, Heinze S, Lovakovic BT, Pizent A, Renieri E, et al. Toxic-metal-induced alteration in miRNA expression profile as a proposed mechanism for disease development. Cells. 2020;9:901.
10. Li M, Huo X, Davuljigari CB, Xu X. MicroRNAs and their role in environmental chemical carcinogenesis. Environ Geochem Health. 2019;41(1):225-247.
11. Ho S-M, Johnson A, Tarapore P, Janakiram V, Zhang X, Leung YK. Environmental Epigenetics and Its Implication on Disease Risk and Health Outcomes. ILAR Journal Oxford Academic. 2012;53:289-305.
12. Jiang J, Zhu H, Li N, Batley J, Wang Y. The miR393-Target Module Regulates Plant Development and Responses to Biotic and Abiotic Stresses. International Journal of Molecular Sciences. 2022 Aug 22;23(16):9477.
13. Luo P, Di D, Wu L, Yang J, Lu Y, Shi W. Int MicroRNAs Are Involved in Regulating Plant Development and Stress Response through FineTuning of TIR1/AFB-Dependent Auxin Signaling. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(1):510.
14. Shriram V, Kumar V, Devarumath RM, Khare TS, Wani SH. MicroRNAs As Potential Targets for Abiotic Stress Tolerance in Plants. Frontiers in Plant Science. 2016;7:1-18.
15. Pani A, Mahapatra RK. Computational identification of microRNAs and their targets in Catharanthus roseus expressed sequence tags. Genomics Data. 2013;1:2-6.
16. Nawaz MA, Mesnage R, Tsatsakis AM, Golokhvast KS, Yang SH, Antoniou MN, et al. Addressing concerns over the fate of DNA derived from genetically modified food in the human body: A review. Food and Chemical Toxicology. 2019;124:423-430.
17. Ding Y, Wang Y, Jiang Z, Wang F, Jiang Q, Sun J, et al. MicroRNA268 overexpression affects rice seedling growth under cadmium stress. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2017;65:5860-5867.
18. Niekerk LA, Carelse MF, Bakare OO, Mavumengwana V, Keyster M, Gokul A. The Relationship between Cadmium Toxicity and the Modulation of Epigenetic Traits in Plants. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(13):7046.
19. Ding Y, Gong S, Wang Y, Wang F, Bao H, Sun J, et al. MicroRNA166 Modulates Cadmium Tolerance and Accumulation in Rice. Plant Physiology. 2018;177(4):1691-1703.
20. .Mendoza-Soto AB, Sánchez F, Hernández G. MicroRNAs as regulators in plant metal toxicity response. Frontiers in Plant Science. 2012;3:1-6.
21. Giuseppe G, Sinicropi MS, Graziantonio L, Carocci A, Catalano A. The Effects of Cadmium Toxicity. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020;17(11):3782.
22. Jian H, Yang BO, Zhang A, Ma J, Ding Y, Chen Z, et al. Genome-wide identification of microRNAs in response to cadmium stress in oilseed rape (Brassica napus L.) using high-throughput sequencing. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19:143.
23. Ramirez T, Brocher J, Stopper H, Hock R. Sodium arsenite modulates histone acetylation, histone deacetylase activity and HMGN protein dynamics in human cells. Chromosome. 2008;117:147-157.
24. Balasubramanian S, Raghunath A, Perumal E. Role of epigenetics in zebrafish development. Gene. 2019;718:144049.
25. Cavalieri V. Histones, their variants and post-translational modifications in zebrafish development. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2020;8:456.
26. Cavalieri V, Kathrein KL. Editorial: Zebrafish Epigenetics. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2022;10:977398.
27. Terrazas-Salgado L, García-Gasca A, Betancourt-Lozano M, Llera-Herrera R, Alvarado-Cruz I, Yáñez-Rivera B. Epigenetic Transgenerational Modifications Induced by Xenobiotic Exposure in Zebrafish. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2022;10:832982.
28. Komada M, Nishimura Y. Epigenetics and Neuroinflammation Associated With Neurodevelopmental Disorders: A Microglial Perspective. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2022;10:852752.
29. Li Q, Kappil MA, Li A, Dassanayake PS, Darrah TH, Friedman AE, et al. Exploring the associations between microRNA expression profiles and environmental pollutants in human placenta from the National Children’s Study (NCS). Epigenetics. 2015;10:793-802.
30. Hou L, Wang D, Baccarelli A. Environmental chemicals and microRNAs. Mutation Research, Fundamental and Molecular Mechanisms. 2011;714:105-112.

«Вістник проблем біології і медицини» Випуск 1 (168), 2023 рік , 36-43 сторінки, код УДК 612.014.46:546,48:577.21(048.8)

10.29254/2077-4214-2023-1-168-36-43