Влияние хронического поступления хлорида кадмия на транскрипционную активность генов металлотионеинов и переносчиков цинка

Введение. Хлорид кадмия представляет собой неорганическое соединение, содержащее кадмий – тяжёлый металл, являющийся в настоящее время одним из активных загрязнителей окружающей среды. Повреждения органов экспериментальных животных вследствие отравления кадмием схожи с таковыми у людей. В данной работе изучена активность генов металлотионеинов и транспортёров цинка на хронической модели индуцированного кадмием отравления экспериментальных животных.

Материалы и методы. В эксперименте были использованы 72 белые инбредные крысы (самцы и самки, средняя масса 215 г). Были сформированы четыре опытные группы (по 7 самок и 7 самцов в каждой) и одна контрольная. Животным опытных групп вводили раствор хлорида кадмия в четырёх различных дозах соответственно, особи контрольной группы получали в эквимолярном объёме чистую воду. Объектами исследования были выбраны почки и печень крыс, изъятые после вывода животных из эксперимента. Далее в образцах органов была проанализирована активность генов Mt1A, Mt2A, Mt3A, Zip1 и Znt1 с использованием метода ПЦР в режиме реального времени.

Результаты. Выявлены значимые повышения кратности экспрессии генов металлотионеинов Mt1A, Mt2A и Mt3A в почках при различных дозах токсиканта. В образцах печени обнаружено снижение экспрессии гена Mt2A в экспериментальной группе, подверженной воздействию хлорида кадмия в дозе 0,1 мг/кг (p < 0,05). Для гена Znt1 в ткани печени крыс отмечается статистически значимое снижение экспрессии при дозе 0,001 мг/кг (p < 0,05) и повышение при дозах 0,1 и 1 мг/кг (p < 0,05) по сравнению с группой контроля. Анализ уровня транскриптов гена Zip1 в почках и печени после шести месяцев затравки токсикантом в представленных дозах не выявил статистически значимых различий между группами.

Ограничения исследования. Для эксперимента были использованы лабораторные животные только одного биологического вида. Были оценены четыре дозы лишь одной соли кадмия.

Заключение. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что уровень экспрессии генов Mt1A, Mt2A и Mt3A в почках может играть роль диагностического маркёра при хроническом отравлении исследуемым токсикантом.

Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено биоэтической комиссией ФБУН «Уфимский НИИ медицины труда и экологии человека» 11.12.2023 г. № 01–12. Животные на протяжении всего исследования находились в стандартных условиях с двенадцатичасовым искусственным
освещением в дневное время, относительно постоянным уровнем влажности (30–70%) и температурой воздуха плюс 20–25 °С. Манипуляции со всеми животными проводились строго с соблюдением правил, изложенных в базисных нормативных документах, в том числе в «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей» (Strasbourg, 1986) и Хельсинкской декларации
о гуманном отношении к животным.

Участие авторов:
Гизатуллина А.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, статистическая обработка, написание текста;
Валова Я.В. — сбор и обработка материала, статистическая обработка;
Хуснутдинова Н.Ю., Смолянкин Д.О., Каримов Д.Д. — сбор и обработка материала;
Каримов Д.О. — концепция и дизайн исследования, статистическая обработка;
Мухаммадиева Г.Ф. — редактирование;
Репина Э.Ф. — концепция и дизайн исследования.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Отраслевая научно-исследовательская программа Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека на 2021–2025 гг., п. 6.1.9 «Экспериментальное обоснование высокочувствительных маркёров воздействия токсичных металлов на организм и разработка мер профилактики».

Поступила: 26.12.2023 / Поступила после доработки: 29.01.2024 / Принята к печати: 09.02.2024 / Опубликована: 15.03.2024

1. Костылева Н.В., Рачёва Н.Л. Характеристики загрязняющих веществ. Пермь: Экология; 2017.

2. Куленцан А.Л., Марчук Н.А. Анализ воздействия на человека и окружающую среду загрязняющих веществ. Известия высших учебных заведений «Химия и химическая технология». 2022; 65(1): 116–21. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226501.6531

3. Yildirim S., Celikezen F.C., Oto G., Sengul E., Bulduk M., Tasdemir M., et al. An investigation of protective effects of litium borate on blood and histopathological parameters in acute cadmium-induced rats. Biol. Trace Elem. Res. 2018; 182(2): 287−94. https://doi.org/10.1007/s12011-017-1089-9

4. Sanjeev S., Bidanchi R.M., Murthy M.K., Gurusubramanian G., Roy V.K. Influence of ferulic acid consumption in ameliorating the cadmium-induced liver and renal oxidative damage in rats. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2019; 26(20): 20631−53. https://doi.org/10.1007/s11356-019-05420-7

5. Арустамян О.М., Ткачишин В.С., Алексейчук А.Ю. Влияние соединений кадмия на организм человека. Медицина неотложных состояний. 2016; (7): 109–14. https://doi.org/10.22141/2224-0586.7.78.2016.86103 https://elibrary.ru/xeelvb

6. Базыльчук Т.А., Брайкова А.М., Ширкин А.А., Брайков Н.Д. Исследование гигиенических свойств и химикотоксикологической безопасности одноразовых медицинских масок. Endless light in science. 2023; (3–3): 66–73. https://doi.org/10.24412/2709-1201-2023-66-73 https://elibrary.ru/frergx

7. Genchi G., Sinicropi M.S., Lauria G., Carocci A., Catalano A. The effects of cadmium toxicity. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2020; 17(11): 3782. https://doi.org/10.3390/ijerph17113782

8. Гулиева С.В., Гараев Г.Ш., Халилов В.Г., Раджабова Ф.О. Влияние кадмия на биохимические процессы в организме в условиях экспериментального гипотиреоза. Вестник науки и образования. 2019; (5): 67–71. https://elibrary.ru/stdcsr

9. Shagirtha K., Muthumani M., Prabu S.M. Melatonin abrogates cadmium induced oxidative stress related neurotoxicity in rats. Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2011; 15(9): 1039–50.

10. Marettová E., Maretta M., Legáth J. Toxic effects of cadmium on testis of birds and mammals: a review. Anim. Reprod. Sci. 2015; 155: 1–10. https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2015.01.007

11. Kumar S., Sharma A. Cadmium toxicity: Effects on human reproduction and fertility. Rev. Environ. Health. 2019; 34(4): 327–38. https://doi.org/10.1515/reveh-2019-0016

12. Wang M., Wang J., Sun H., Han S., Feng S., Shi L., et al. Time-dependent toxicity of cadmium telluride quantum dots on liver and kidneys in mice: histopathological changes with elevated free cadmium ions and hydroxyl radicals. Int. J. Nanomedicine. 2016; 11: 2319–28. https://doi.org/10.2147/ijn.s103489

13. Martinez-Zamudio R., Ha H.C. Environmental epigenetics in metal exposure. Epigenetics. 2011; 6(7): 820–7. https://doi.org/10.4161/epi.6.7.16250

14. Buha A., Wallace D., Matovic V., Schweitzer A., Oluic B., Micic D., et al. Cadmium exposure as a putative risk factor for the development of pancreatic cancer: three different lines of evidence. BioMed Res. Int. 2017; 2017: 1981839. https://doi.org/10.1155/2017/1981837

15. Luevano J., Damodaran C. A review of molecular events of cadmium-induced carcinogenesis. J. Environ. Pathol. Toxicol. Oncol. 2014; 33(3): 183–94. https://doi.org/10.1615/jenvironpatholtoxicoloncol.2014011075

16. Albrecht A.L., Singh R.K., Somji S., Sens M.A., Sens D.A., Garrett S.H. Basal and metal‐induced expression of metallothionein isoform 1 and 2 genes in the RWPE‐1 human prostate epithelial cell line. J. Appl. Toxicol. 2008; 28(3): 283–93. https://doi.org/10.1002/jat.1277

17. Klaassen C.D., Liu J., Diwan B.A. Metallothionein protection of cadmium toxicity. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2009; 238(3): 215–20. https://doi.org/10.1016/j.taap.2009.03.026

18. Si M., Lang J. The roles of metallothioneins in carcinogenesis. J. Hematol. Oncol. 2018; 11(1): 107. https://doi.org/10.1186/s13045-018-0645-x

19. Leung K.W., Liu M., Xu X., Seiler M.J., Barnstable C.J., Tombran-Tink J. Expression of ZnT and ZIP zinc transporters in the human RPE and their regulation by neurotrophic factors. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2008; 49(3): 1221–31. https://doi.org/10.1167/iovs.07-0781

20. Kambe T., Tsuji T., Hashimoto A., Itsumura N. The physiological, biochemical, and molecular roles of zinc transporters in zinc homeostasis and metabolism. Physiol. Rev. 2015; 95(3): 749–84. https://doi.org/10.1152/physrev.00035.2014

21. Zhu B., Huo R., Zhi Q., Zhan M., Chen X., Hua Z.C. Increased expression of zinc transporter ZIP4, ZIP11, ZnT1, and ZnT6 predicts poor prognosis in pancreatic cancer. J. Trace Elem. Med. Biol. 2021; 65: 126734. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2021.126734

22. Nakamura Y., Ohba K., Ohta H. Participation of metal transporters in cadmium transport from mother rat to fetus. J. Toxicol. Sci. 2012; 37(5): 1035–44. https://doi.org/10.2131/jts.37.1035

23. Nagamatsu S., Nishito Y., Yuasa H., Yamamoto N., Komori T., Suzuki T., et al. Sophisticated expression responses of ZNT1 and MT in response to changes in the expression of ZIPs. Sci. Rep. 2022; 12(1): 7334. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10925-2

24. Livak J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) method. Methods. 2001; 25(4): 402–8. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262

25. Aljazzar A., El-Ghareeb W.R., Darwish W.S., Abdel-Raheem S.M., Ibrahim A.M. Content of total aflatoxin, lead, and cadmium in the bovine meat and edible offal: study of their human dietary intake, health risk assessment, and molecular biomarkers. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2021; 28(43): 61225–34. https://doi.org/10.1007/s11356-021-12641-2

26. Sakulsak N. Metallothionein: An overview on its metal homeostatic regulation in mammals. Int. J. Morphol. 2020; 30(3): 1007–12. https://doi.org/10.4067/S0717-95022012000300039

27. Wan M., Hunziker P.E., Kägi J.H. Induction of metallothionein synthesis by cadmium and zinc in cultured rabbit kidney cells (RK-13). Biochem. J. 1993; 292(2): 609–15. https://doi.org/10.1042/bj2920609

28. Nordberg M., Nordberg G.F. Metallothionein and cadmium toxicology-historical review and commentary. Biomolecules. 2022; 12(3): 15. https://doi.org/10.3390/biom12030360

29. Dai S., Yin Z., Yuan G., Lu H., Jia R., Xu J., et al. Quantification of metallothionein on the liver and kidney of rats by subchronic lead and cadmium in combination. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2013; 36(3): 1207–16. https://doi.org/10.1016/j.etap.2013.10.003

30. Kimura T., Kambe T. The functions of metallothionein and ZIP and ZnT transporters: an overview and perspective. Int. J. Mol. Sci. 2016; 17(3): 336. https://doi.org/10.3390/ijms17030336

31. Yuan A.T., Stillman M.J. Arsenic binding to human metallothionein-3. Chem. Sci. 2023; 14(21): 5756–67. https://doi.org/10.1039/d3sc00400g

32. Зиатдинова М.М., Валова Я.В., Мухаммадиева Г.Ф., Фазлыева А.С., Каримов Д.О., Хуснутдинова Н.Ю. Оценка активности генов Mt2A и Mt3A в печени и почках крыс в ответ на введение разных доз хлорида кадмия. Медицина труда и экология человека. 2021; (1): 93–101. https://doi.org/10.24412/2411-3794-2021-10109 https://elibrary.ru/lcamjh

33. Baba H., Tsuneyama K., Yazaki M., Nagata K., Minamisaka T., Tsuda T., et al. The liver in itai-itai disease (chronic cadmium poisoning): pathological features and metallothionein expression. Mod. Pathol. 2013; 26(9): 1228–34. https://doi.org/10.1038/modpathol.2013.62

34. Зиатдинова М.М., Валова Я.В., Мухаммадиева Г.Ф., Усманова Э.Н., Каримов Д.О., Хуснутдинова Н.Ю. и др. Транскрипционная активность генов металлотионеинов при остром отравлении хлоридом кадмия. Гигиена и санитария. 2020; 99(9): 990–5. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-9-990-995 https://elibrary.ru/zlyech

35. Фазлыева А.С., Усманова Э.Н., Даукаев Р.А., Каримов Д.О., Валова Я.В., Смолянкин Д.А. и др. Распределение кадмия и экспрессия металлотионеина в органах крыс при острой интоксикации. Гигиена и санитария. 2020; 99(9): 1011–5. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-9-1011-1015 https://elibrary.ru/thctsf

36. Mikowska M., Dziublińska B., Świergosz-Kowalewska R. Variation of metallothionein I and II gene expression in the bank vole (Clethrionomys glareolus) under environmental zinc and cadmium exposure. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2018; 75(1): 66–74. https://doi.org/10.1007/s00244-017-0485-7

37. Hirao-Suzuki M., Takeda S., Sakai G., Waalkes M.P., Sugihara N., Takiguchi M. Cadmium-stimulated invasion of rat liver cells during malignant transformation: Evidence of the involvement of oxidative stress/TET1-sensitive machinery. Toxicology. 2021; 447: 152631. https://doi.org/10.1016/j.tox.2020.152631

38. Зиатдинова М.М., Валова Я.В., Мухаммадиева Г.Ф., Фазлыева А.С., Каримов Д.Д., Кудояров Э.Р. Анализ экспрессии генов Mt1 и Zip1 в печени крыс при хроническом отравлении хлоридом кадмия. Гигиена и санитария. 2021; 100(11): 1298–302. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2021-100-11-1298-1302 https://elibrary.ru/okjxoi

39. Liuzzi J.P., Blanchard R.K., Cousins R.J. Differential regulation of zinc transporter 1, 2, and 4 mRNA expression by dietary zinc in rats. J. Nutr. 2001; 131(1): 46–52. https://doi.org/10.1093/jn/131.1.46

40. Lin Y.F., Hassan Z., Talukdar S., Schat H., Aarts M.G. Expression of the Znt1 zinc transporter from the metal hyperaccumulator Noccaea caerulescens confers enhanced zinc and cadmium tolerance and accumulation to Arabidopsis thaliana. PLoS One. 2016; 11(3): e0149750. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149750

41. Satarug S., Garrett S.H., Somji S., Sens M.A., Sens D.A. Zinc, zinc transporters, and cadmium cytotoxicity in a cell culture model of human urothelium. Toxics. 2021; 9(5): 94. https://doi.org/10.3390/toxics9050094