Ekologiya cheloveka (Human Ecology)Ekologiya cheloveka (Human Ecology)Экология человека1728-08692949-1444Eco-Vector7732010.17816/humeco77320ArticlesСтатьиResearch ArticleEvaluation of the initial manifestations of the toxic process in conditions of chronic action of low subtoxic doses of dioxins polluting the environmentОценка начальных проявлений токсического процесса в условиях хронического действия малых субтоксичных доз диоксинов, загрязняющих средуhttps://orcid.org/0000-0002-7318-804656046623800F-3019-20174081-9972LavrenovAnton R.ЛавреновАнтон Русланович
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.)

к.б.н.

overtaki@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2955-06311658-8379OrdzhonikidzeKristina G.ОрджоникидзеКристина Георгиевна
Russian Federation
chiris.ordj@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6645-86774477-5112RoumakVladimir S.РумакВладимир Степанович
Russian Federation

MD, Dr. Sci. (Med.), professor

д.м.н., профессор

roumak@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0398-86947402063241P-4899-20158606-4506KimAlexander I.КимАлександр Иннокентьевич
Russian Federation

Dr. Sci. (Biol.), professor

д.б.н., профессор

aikim57@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1615-21945586-0738UmnovaNatalia V.УмноваНаталия Владимировна
Russian Federation

Dr. Sci. (Med.), professor

д.б.н., профессор

unv2014@mail.ruA.N. Severtsov Institute of ecology and evolution of the Russian academy of sciencesИнститут проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наукLomonosov Moscow state universityМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваVavilov Institute of general genetics of the Russian academy of sciencesИнститут общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наукShenzhen MSU–BIT universityУниверситет МГУ–ППИ в Шэньчжэне15062022010720222931992080408202114022022Copyright ©; 2022, Lavrenov A.R., Ordzhonikidze K.G., Roumak V.S., Kim A.I., Umnova N.V.Copyright ©; 2022, Лавренов А.Р., Орджоникидзе К.Г., Румак В.С., Ким А.И., Умнова Н.В.2022Lavrenov A.R., Ordzhonikidze K.G., Roumak V.S., Kim A.I., Umnova N.V.Лавренов А.Р., Орджоникидзе К.Г., Румак В.С., Ким А.И., Умнова Н.В.https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://hum-ecol.ru/1728-0869/article/view/77320

AIM: To study the state of the genome by indicators of retrotransposon activity — the gene encoding DNA methyltransferase 1 (DNMT1); DNA damage in animals from the natural population of the bank vole (Clethrionomys glareolus) living in the vicinity of a preserved landfill contaminated with low concentrations of dioxins (landfill of production and consumption waste — "Salariyevo", Moscow).

MATERIAL AND METHODS: The activity of ERV-L, B1, and L1 retrotransposons and the transcription level of the DNMT1 gene were evaluated by real-time PCR. The stability of DNA in liver and bone marrow cells was characterized by the comet assay method. Afterward, the obtained characteristics of the state (stability, reactivity, and damage) of the genome in response to environmental stress factors were compared in groups of animals from the study and conditionally control samples.

RESULTS: The effects of a decrease in the activity of retrotransposons of classes B1 and L1, and an increase in DNMT1 gene expression level were revealed in voles from the natural population living under the long-term chronic exposure to low doses of dioxins decrease in the activity of retrotransposons of classes B1 and L1, and an increase in the expression level of the DNMT1 gene were revealed. An increased level of DNA damage (on average up to 56% of the DNA in the tail of the comet) was detected in hepatocytes, with the addition of winter environmental factors to the chronic effect of small subtoxic doses of dioxins.

CONCLUSION: Suppression of retrotransposon activity and increased expression of its epigenetic regulator (DNMT1) are regarded as adaptive responses to long-term chronic exposure to low doses of dioxins polluting the environment. The alteration in the reactivity and destabilization of the genome indicates the launch of the initial mechanisms of the toxic process formation. The created and tested methodological base for its study opens up prospects for establishing a threshold level, and as a result, substantiating indicators for screening assessment of local (territorial) risk to public health by biomonitoring.

Цель. Изучить состояние генома по показателям активности ретротранспозонов; по уровню транскрипции гена, кодирующего ДНК-метилтрансферазу 1 (DNMT1); повреждаемости ДНК у животных из природной популяции рыжей полёвки, обитающей в загрязнённых малыми концентрациями диоксинов окрестностях законсервированной свалки (полигона отходов производства и потребления «Саларьево», г. Москва).

Материал и методы. Активность ретротранспозонов ERV-L, B1 и L1 и уровень транскрипции гена DNMT1 оценивали методом ПЦР в реальном времени. Стабильность ДНК клеток печени и костного мозга характеризовали методом Comet Assay. Полученные характеристики состояния (устойчивости, реактивности и повреждаемости) генома в ответ на стрессовые факторы среды обитания сравнивали в группах животных из изучаемой и условно-контрольной выборок.

Результаты. В условиях длительного хронического воздействия малых доз диоксинов у полёвок из природной популяции обнаружены эффекты снижения активности ретротранспозонов подклассов B1 и L1 и увеличения уровня экспрессии гена DNMT1. Повышенный уровень повреждений ДНК (в среднем до 56% ДНК в хвосте кометы) был выявлен в гепатоцитах при дополнительном к хроническому действию малых субтоксичных доз диоксинов действии зимних факторов среды обитания.

Заключение. Подавление активности ретротранспозонов и повышение экспрессии её эпигенетического регулятора (DNMT1) можно рассматривать как адаптивную стратегию к длительному хроническому воздействию малых доз диоксинов, загрязняющих среду. Изменение реактивности и дестабилизация генома свидетельствуют о запуске начальных механизмов формирования токсического процесса. Созданная и апробированная методическая база для его изучения открывает перспективы установления порогового уровня и, как следствие, обоснования показателей для скрининговой оценки локального (территориального) риска здоровью населения путем биомониторинга.

dioxinsDNA methyltransferaseretrotransposonscomet assaybank volelandfillдиоксиныДНК-метилтрансферазаретротранспозоныComet Assayрыжая полёвкасвалкаПрограмма развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова "Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды"The Development program of the Interdisciplinary Scientific and Educational School of M.V. Lomonosov Moscow State University « Future Planet and Global Environmental Change »Rozanov VN, Treger YuA. Assessment of dioxins emission from major sources in the Russian Federation. Ecology and Industry of Russia. 2011;2:32–35. (In Russ).Розанов В.Н., Трегер Ю.А. Оценка выбросов диоксинов основных источников в РФ // Экология и промышленность в России. 2011. № 2. С. 32–35.Sofronov GA, Bochkov NP, Umnova NV, et al. Ecologo-genetic manifestations of dioxin pathology. Medical academic journal. 2006;6(1):163–174. (In Russ).Софронов Г.А., Бочков Н.П., Умнова Н.В., и др. Эколого-генетические проявления диоксиновой патологии // Медицинский академический журнал. 2006. Т. 6, № 1. С. 163–174.Sycheva LP, Umnova NV, Kovalenko MA, et al. Dioxins and cytogenetic status of villagers after 40 years of Agent Orange application in Vietnam. Chemosphere. 2016;144:1415–1420. doi: 10.1016/j.chemosphere.2015.10.009Sycheva L.P., Umnova N.V., Kovalenko M.A., et al. Dioxins and cytogenetic status of villagers after 40 years of Agent Orange application in Vietnam // Chemosphere. 2016. № 144. P. 1415–1420. doi: 10.1016/j.chemosphere.2015.10.009Prokopec SD, Houlahan KE, Sun RX, et al. Compendium of TCDD-mediated transcriptomic response datasets in mammalian model systems. BMC Genomics. 2017;18(1):78. doi: 10.1186/s12864-016-3446-zProkopec S.D., Houlahan K.E., Sun R.X., et al. Compendium of TCDD-mediated transcriptomic response datasets in mammalian model systems // BMC Genomics. 2017. Vol. 18, N 1. P. 78. doi: 10.1186/s12864-016-3446-zPatrizi B, Cumis MS. TCDD toxicity mediated by epigenetic mechanisms. Int J Mol Sci. 2018;19(12):4101. doi: 10.3390/ijms19124101Patrizi B., Cumis M.S. TCDD toxicity mediated by epigenetic mechanisms // Int J Mol Sci. 2018. Vol. 19, N 12. P. 4101. doi: 10.3390/ijms19124101Sofronov GA, Rembovskij VR, Radilov AS, Mogilenkova LA. Modern views on the mechanism of the toxic action of dioxins and their hygienic rationing. Medical Academic Journal. 2019;19(1):17–28. (In Russ). doi: 10.17816/MAJ19117-28Софронов Г.А., Рембовский В.Р., Радилов А.С., Могиленкова Л.А. Современные взгляды на механизмы токсического действия диоксинов и их санитарно-гигиеническое нормирование // Медицинский академический журнал. 2019. Т. 19, № 1. С. 17–28.Agapkina GI, Brodskij ES, Shelepchikov AA, et al. Polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans in soils of Moscow-City. Moscow university soil science bulletin. 2010;65(3):114–118. doi: 10.3103/s0147687410030038Агапкина Г.И., Ефименко Е.С., Бродский Е.С., и др. Полихлорированные дибензо-п-диоксины и дибензофураны в почвах г. Москвы // Вестник московского университета. Серия 17, почвоведение. 2010. Т. 65. № 3. С. 16–20. doi: 10.3103/s0147687410030038Weber R, Herold C, Hollert H, et al. Reviewing the relevance of dioxin and PCB sources for food from animal origin and the need for their inventory, control and management. Environ Sci Eur. 2018;30(1):42. doi: 10.1186/s12302-018-0166-9Weber R., Herold C., Hollert H., et al. Reviewing the relevance of dioxin and PCB sources for food from animal origin and the need for their inventory, control and management // Environ Sci Eur. 2018. Vol. 30. N 1. P. 42. doi: 10.1186/s12302-018-0166-9Goodier JL. Restricting retrotransposons: a review. Mob DNA. 2016;7:16. doi: 10.1186/s13100-016-0070-zGoodier J.L. Restricting retrotransposons: a review // Mob DNA. 2016. Vol. 7. P. 16. doi: 10.1186/s13100-016-0070-zSookdeo A, Hepp CM, McClure MA, Boissinot S. Revisiting the evolution of mouse LINE-1 in the genomic era. Mob DNA. 2013;4(1):3. doi: 10.1186/1759-8753-4-3Sookdeo A., Hepp C.M., McClure M.A., Boissinot S. Revisiting the evolution of mouse LINE-1 in the genomic era // Mob DNA. 2013. Vol. 4, N 1. P. 3. doi: 10.1186/1759-8753-4-3Veniaminova NA, Vassetzky NS, Kramerov DA. B1 SINEs in different rodent families. Genomics. 2007;89(6):678–686. doi: 10.1016/j.ygeno.2007.02.007Veniaminova N.A., Vassetzky N.S., Kramerov D.A. B1 SINEs in different rodent families // Genomics. 2007. Vol. 89, N 6. P. 678–686. doi: 10.1016/j.ygeno.2007.02.007Bezel` VS, Muxacheva SV. Trophic levels of small mammals: multi-element composition and toxic load. Povolzhskiy Journal of Ecology (Saratov). 2012;1:3–13. (In Russ). doi: 10.1134/s1062359013100014Безель В.С., Мухачева С.В. Трофические уровни мелких млекопитающих: мультиэлементный состав и токсическая нагрузка // Поволжский экологический журнал. 2012. №1. С. 3–13.Roumak VS, Umnova NV, Levenkova ES, et al. Dioxins in the environment and the body of animals near landfill: to the methodology of public health risk evaluation. Ekologiya cheloveka (Human Ecology). 2017;24(10):9–15. (In Russ). doi: 10.33396/1728-0869-2017-10-9-15Румак В.С., Умнова Н.В., Левенкова Е.С., и др. Диоксины в среде и организме животных вблизи полигона отходов производства и потребления: к методологии риска для здоровья населения // Экология человека. 2017. Т. 24. № 10. С. 9–15. doi: 10.33396/1728-0869-2017-10-9-15Carnell AN, Goodman JI. The long (LINEs) and the short (SINEs) of it: altered methylation as a precursor to toxicity. Toxicol Sci. 2003;75(2):229–235. doi: 10.1093/toxsci/kfg138Carnell A.N., Goodman J.I. The long (LINEs) and the short (SINEs) of it: altered methylation as a precursor to toxicity // Toxicol Sci. 2003. Vol. 75, N 2. P. 229–235. doi: 10.1093/toxsci/kfg138OECDilibrary [Internet]. Test No. 489: in vivo mammalian alkaline comet assay, OECD guidelines for the testing of chemicals, section 4, Paris: OECD Publishing, 2016.Gajski G, Žegura B, Ladeira C, et al. The comet assay in animal models: from bugs to whales — (part 2 vertebrates). Mutat Res Rev Mutat Res. 2019;781:130–164. doi: 10.1016/j.mrrev.2019.04.002Gajski G., Žegura B., Ladeira C., et al. The comet assay in animal models: from bugs to whales (part 2 vertebrates) // Mutat Res Rev Mutat Res. 2019. Vol. 781. P. 130–164. doi: 10.1016/j.mrrev.2019.04.002Roumak VS, Umnova NV, Poznyakov SP, An NQ, Sofronov GA. Disadaptive effects in humans after exposure to chemicals containing dioxin. Organohalogen compounds. 1994;21:379–381.Roumak V.S., Umnova N.V., Poznyakov S.P., An N.Q., Sofronov G.A. Disadaptive effects in humans after exposure to chemicals containing dioxin // Organohalogen compounds. 1994. Vol. 21. P. 379–381.Ecke F, Berglund AMM, Rodushkin I, et al. Seasonal shift of diet in bank voles explains trophic fate of anthropogenic osmium? Sci Total Environ. 2018;624:1634–1639. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.10.056Ecke F., Berglund A.M.M., Rodushkin I., et al. Seasonal shift of diet in bank voles explains trophic fate of anthropogenic osmium? // Sci Total Environ. 2018. Vol. 624. P. 1634–1639. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.10.056Kunisue T, Watanabe MX, Iwata H, et al. PCDDs, PCDFs, and coplanar PCBs in wild terrestrial mammals from Japan: congener specific accumulation and hepatic sequestration. Environ Pollut. 2006;140(3):525–535. doi: 10.1016/j.envpol.2005.07.020Kunisue T., Watanabe M.X., Iwata H., et al. PCDDs, PCDFs, and coplanar PCBs in wild terrestrial mammals from Japan: congener specific accumulation and hepatic sequestration // Environ Pollut. 2006. Vol. 140, N 3. P. 525–535. doi: 10.1016/j.envpol.2005.07.020Bénit L, Lallemand JB, Casella JF, Philippe H, Heidmann T. ERV-L elements: a family of endogenous retrovirus-like elements active throughout the evolution of mammals. J Virol. 1999;73(4):3301–3308. doi: 10.1128/JVI.73.4.3301-3308.1999Bénit L., Lallemand J.B., Casella J.F., Philippe H., Heidmann T. ERV-L elements: a family of endogenous retrovirus-like elements active throughout the evolution of mammals // J Virol. 1999. Vol. 73, N 4. P. 3301–3308. doi: 10.1128/JVI.73.4.3301-3308.1999Zhang W, Zhou S, Gao Y, et al. Alterations in DNA methyltransferases and methyl-CpG binding domain proteins during cleft palate formation as induced by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin in mice. Mol Med Rep. 2018;17(4):5396–5401. doi: 10.3892/mmr.2018.8521Zhang W., Zhou S., Gao Y., et al. Alterations in DNA methyltransferases and methyl-CpG binding domain proteins during cleft palate formation as induced by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin in mice // Mol Med Rep. 2018. Vol. 17, N 4. P. 5396–5401. doi: 10.3892/mmr.2018.8521Miousse IR, Chalbot MCG, Lumen A, et al. Response of transposable elements to environmental stressors. Mutat Res Rev Mutat Res. 2015;765:19–39. doi: 10.1016/j.mrrev.2015.05.003Miousse I.R., Chalbot M.C.G., Lumen A., et al. Response of transposable elements to environmental stressors // Mutat Res Rev Mutat Res. 2015. Vol. 765. P. 19–39. doi: 10.1016/j.mrrev.2015.05.003Ma HS, Wang EL, Xu WF, et al. Overexpression of DNA (Cytosine-5)-methyltransferase 1 (DNMT1) and DNA (Cytosine-5)-methyltransferase 3A (DNMT3A) is associated with aggressive behavior and hypermethylation of tumor suppressor genes in human pituitary adenomas. Med Sci Monit. 2018;24:4841–4850. doi: 10.12659/MSM.910608Ma H.S., Wang E.L., Xu W.F., et al. Overexpression of DNA (Cytosine-5)-methyltransferase 1 (DNMT1) and DNA (Cytosine-5)-methyltransferase 3A (DNMT3A) is associated with aggressive behavior and hypermethylation of tumor suppressor genes in human pituitary adenomas // Med Sci Monit. 2018. Vol. 24. P. 4841–4850. doi: 10.12659/MSM.910608