Summary

Utilizzo dell'immunofluorescenza per rilevare il danno al DNA indotto da PM2,5nei cuori embrionali di zebrafish

Published: February 15, 2021
doi:

Summary

Questo protocollo utilizza un test di immunofluorescenza per rilevare danni al DNA indotti da PM2,5nei cuori sezionati degli embrioni di zebrafish.

Abstract

L’esposizione al particolato fine ambientale (PM2,5)può portare a tossicità per lo sviluppo cardiaco, ma i meccanismi molecolari sottostanti non sono ancora chiari. L’8-idrossi-2’deossigenasi (8-OHdG) è un marker del danno ossidativo al DNA e γH2AX è un marcatore sensibile per le rotture del doppio filamento del DNA. In questo studio, abbiamo mirato a rilevare i cambiamenti 8-OHdG eγH2AXindotti da PM 2,5 nel cuore degli embrioni di zebrafish utilizzando un test di immunofluorescenza. Gli embrioni di zebrafish sono stati trattati con sostanze organiche estraibili (EOM) da PM2,5 a 5 μg/mL in presenza o assenza di N-acetil-L-cisteina antiossidante (NAC, 0,25 μM) a 2 ore dopo la fecondazione (hpf). DMSO è stato utilizzato come controllo del veicolo. A 72 hpf, i cuori sono stati sezionati dagli embrioni usando un ago a siringa e fissati e permeabilizzati. Dopo essere stati bloccati, i campioni sono stati sondati con anticorpi primari contro 8-OHdG e γH2AX. I campioni sono stati poi lavati e incubati con anticorpi secondari. Le immagini risultanti sono state osservate al microscopio a fluorescenza e quantificate utilizzando ImageJ. I risultati mostrano che EOM da PM2.5 ha migliorato significativamente i segnali 8-OHdG e γH2AX nel cuore degli embrioni di zebrafish. Tuttavia, NAC, agendo come spazzino di specie reattive dell’ossigeno (ROS), ha parzialmente contrastato il danno al DNA indotto dall’EOM. Qui, presentiamo un protocollo di immunofluorescenza per studiare il ruolo del danno al DNA nei difetti cardiaci indotti da PM2,5che possono essere applicati al rilevamento di cambiamenti di espressione proteica indotti da sostanze chimiche ambientali nei cuori degli embrioni di zebrafish.

Introduction

L’inquinamento atmosferico è ora un grave problema ambientale che il mondo deve affrontare. Il particolato fine ambientale (PM2,5), che è uno degli indicatori più importanti della qualità dell’aria, può trasportare un gran numero di sostanze nocive ed entrare nel sistema circolatorio del sangue, causando gravi danni alla salute umana1. Studi epidemiologici hanno dimostrato che l’esposizione al PM2,5 può portare ad un aumento del rischio di difetti cardiaci congeniti (CHD)2,3. Le prove degli esperimenti sugli animali hanno anche dimostrato che il PM2,5 può causare uno sviluppo cardiaco anormale negli embrioni di zebrafish e nella prole dei topi, ma i meccanismi molecolari della tossicità dello sviluppo cardiaco del PM2,5 sono ancora in gran parte sconosciuti4,5,6.

Il danno al DNA può causare l’arresto del ciclo cellulare e indurre l’apoptosi, che può distruggere ampiamente il potenziale delle cellule progenitrici e, di conseguenza, compromettere lo sviluppo del cuore7). È stato ben documentato che gli inquinanti ambientali, tra cui il PM2,5,hanno il potenziale di attaccare il DNA attraverso meccanismi di stress ossidativo8,9. Sia lo sviluppo cardiaco umano che quello del pesce zebra sono sensibili allo stress ossidativo10,11,12. 8-OHdG è un marcatore di danno ossidativo del DNA e il segnale γH2AX è un marcatore di rotture del doppio filamento di DNA. N-acetil-L-cisteina (NAC), un precursore sintetico della cisteina intracellulare e del glutatione, è ampiamente usato come composto antiossidante. In questo studio, utilizziamo NAC per indagare il ruolo dello stress ossidativo in PM2.5– danno al DNA indotto13.

Zebrafish come vertebrato modello è stato ampiamente utilizzato per studiare lo sviluppo cardiaco e le malattie cardiovascolari umane perché i meccanismi di sviluppo cardiaco sono altamente conservati tra i vertebrati14,15. I vantaggi dell’utilizzo del pesce zebra come modello includono le loro piccole dimensioni, la forte capacità riproduttiva e il basso costo di alimentazione. Di particolare interesse per questi studi, gli embrioni di zebrafish non dipendono dal sistema circolatorio durante lo sviluppo precoce e possono sopravvivere a gravi malformazioni cardiache14. Inoltre, la loro trasparenza consente di osservare direttamente l’intero corpo al microscopio. Pertanto, gli embrioni di zebrafish offrono un’eccezionale opportunità per valutare i meccanismi molecolari coinvolti nell’induzione della tossicità dello sviluppo cardiaco a seguito dell’esposizione a varie sostanze chimiche ambientali5,16,17. Abbiamo precedentemente riferito che lo stress ossidativo indotto da PM2,5porta a danni al DNA e apoptosi, con conseguenti malformazioni cardiache nel pesce zebra18. In questo studio, forniamo un protocollo dettagliato per indagare il danno al DNA indotto da PM2,5nel cuore degli embrioni di zebrafish.

Protocol

Il pesce zebra selvatico (AB) utilizzato in questo studio è stato ottenuto dal National Zebrafish Resource Center di Wuhan, in Cina. Tutte le procedure per gli animali qui descritte sono state riviste e approvate dall’Animal Care Institution del Comitato Etico della Soochow University. 1. Campionamento PM2.5 ed estrazione di composti organici NOTA: PM2.5 è stato raccolto in un’area urbana a Suzhou, Cina, 1-7 agosto 2015, come descritto in prece…

Representative Results

Questo test di immunofluorescenza è un metodo sensibile e specifico per misurare i cambiamenti di espressione proteica nei cuori degli embrioni di zebrafish esposti a sostanze chimiche ambientali. In questa analisi rappresentativa, gli embrioni esposti a PM2,5 in assenza o presenza del NAC antiossidante sono stati valutati per la presenza di malformazioni cardiache (Figura 1). Come osser…

Discussion

Sebbene il pesce zebra sia un eccellente modello di vertebrato per studiare la tossicità dello sviluppo cardiaco delle sostanze chimiche ambientali, a causa delle piccole dimensioni del cuore dell’embrione, è difficile ottenere abbastanza proteine per l’analisi western blot. Pertanto, presentiamo un metodo di immunofluorescenza sensibile per quantificare i livelli di espressione proteica dei biomarcatori di danno al DNA nei cuori degli embrioni di zebrafish esposti a PM2.5.

Durant…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Nature Sciences Foundation of China (numero di sovvenzione: 81870239, 81741005, 81972999) e the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.

Materials

8-OHdG Antibody Santa Cruz Biotechnology, USA sc-66036 Primary antibody
Analytical balance Sartorius,China BSA124S
BSA Solarbio,Beijing,China SW3015 For blocking
DAPI Abcam, USA ab104139 For nuclear counterstain.
DMSO Solarbio,Beijing,China D8371
Fluorescence microscope Olympus, Japan IX73 For imaging fluorescence signals/
Goat Anti-Rabbit IgG Cy3 Carlsbad,USA CW0159 Secondary antibody
Goat Anti-Rabbit IgG FITC Carlsbad,USA RS0003 Secondary antibody
N-Acetyl-L-cysteine(NAC) Adamas-Beta, Shanghai, China 616-91-1
Orbital shaker QILINBEIER,China TS-1
Paraformaldehyde Sigma,China P6148 Make 4% paraformaldehyde for fixation.
Phosphate Buffered Saline HyClone,USA SH30256.01 Prepare 0.1% Tween in PBS for washing.
PM2.5 sampler TianHong,Wuhan, China TH-150C For 24-hr uninterrupted PM2.5 sampling.
Re-circulating aquaculture system HaiSheng,Shanghai,China The zebrafish was maintained in it.
Soxhlet extractor ZhengQiao,Shanghai, China BSXT-02 For organic components extraction.
Stereomicroscope Nikon,Canada SMZ645 For heart dissection from zebrafish embryos.
Tricaine methanesulfonate (MS222) Sigma,China E10521 To anesthetize zebrafish embryos
Tween 20 Sigma,China P1379
γH2AX Antibody Abcam, USA ab26350 Primary antibody

Riferimenti

  1. Zhang, B., et al. Maternal Exposure to Air Pollution and Risk of Congenital Heart Defects. European Journal of Pediatrics. 175, 1520 (2016).
  2. Huang, C. C., Chen, B. Y., Pan, S. C., Ho, Y. L., Guo, Y. L. Prenatal exposure to PM2.5 and Congenital Heart Diseases in Taiwan. The Science of the Total Environment. 655, 880-886 (2019).
  3. Mesquita, S. R., et al. Toxic assessment of urban atmospheric particle-bound PAHs: relevance of composition and particle size in Barcelona (Spain). Environmental Pollution. 184, 555-562 (2014).
  4. Zhang, H., et al. Crosstalk between AhR and wnt/beta-catenin signal pathways in the cardiac developmental toxicity of PM2.5 in zebrafish embryos. Toxicology. 355-356, 31-38 (2016).
  5. Duan, J., et al. Multi-organ toxicity induced by fine particulate matter PM2.5 in zebrafish (Danio rerio) model. Chemosphere. 180, 24-32 (2017).
  6. Lorda-Diez, C. I., et al. Cell senescence, apoptosis and DNA damage cooperate in the remodeling processes accounting for heart morphogenesis. Journal of Anatomy. 234, 815-829 (2019).
  7. Kouassi, K. S., et al. Oxidative damage induced in A549 cells by physically and chemically characterized air particulate matter (PM2.5) collected in Abidjan, Cote d’Ivoire. Journal of Applied Toxicology. 30, 310-320 (2010).
  8. Gualtieri, M., et al. Gene expression profiling of A549 cells exposed to Milan PM2.5. Toxicology Letters. 209, 136-145 (2012).
  9. Li, S. Y., Sigmon, V. K., Babcock, S. A., Ren, J. Advanced glycation endproduct induces ROS accumulation, apoptosis, MAP kinase activation and nuclear O-GlcNAcylation in human cardiac myocytes. Life Sciences. 80, 1051-1056 (2007).
  10. Yamashita, M. Apoptosis in zebrafish development. Comparative biochemistry and physiology. Part B, Biochemistry & Molecular Biology. 136, 731-742 (2003).
  11. Moazzen, H., et al. N-Acetylcysteine prevents congenital heart defects induced by pregestational diabetes. Cardiovascular Diabetology. 13, 46 (2014).
  12. Sun, S. Y. N-acetylcysteine, reactive oxygen species and beyond. Cancer Biology & Therapy. 9, 109-110 (2010).
  13. Tu, S., Chi, N. C. Zebrafish models in cardiac development and congenital heart birth defects. Differentiation. 84, 4-16 (2012).
  14. Asnani, A., Peterson, R. T. The zebrafish as a tool to identify novel therapies for human cardiovascular disease. Disease Models & Mechanisms. 7, 763-767 (2014).
  15. Li, M., et al. Toxic effects of polychlorinated biphenyls on cardiac development in zebrafish. Molecular Biology Reports. 41, 7973-7983 (2014).
  16. Massarsky, A., Prasad, G. L., Di Giulio, R. T. Total particulate matter from cigarette smoke disrupts vascular development in zebrafish brain (Danio rerio). Toxicology and Applied Pharmacology. 339, 85-96 (2018).
  17. Ren, F., et al. AHR-mediated ROS production contributes to the cardiac developmental toxicity of PM2.5 in zebrafish embryos. The Science of the Total Environment. 719, 135097 (2020).
  18. van Berlo, J. H., Molkentin, J. D. An emerging consensus on cardiac regeneration. Nature Medicine. 20, 1386-1393 (2014).
  19. Yue, C., et al. Protective effects of folic acid on PM2.5-induced cardiac developmental toxicity in zebrafish embryos by targeting AhR and Wnt/beta-catenin signal pathways. Environmental Toxicology. 32, 2316-2322 (2017).
  20. Zhao, X., Ren, X., Zhu, R., Luo, Z., Ren, B. Zinc oxide nanoparticles induce oxidative DNA damage and ROS-triggered mitochondria-mediated apoptosis in zebrafish embryos. Aquatic Toxicology. 180, 56-70 (2016).
  21. Zhao, X., Wang, S., Wu, Y., You, H., Lv, L. Acute ZnO nanoparticles exposure induces developmental toxicity, oxidative stress and DNA damage in embryo-larval zebrafish. Aquatic Toxicology. 136-137, 49-59 (2013).
  22. Zhu, L., et al. DNA damage and effects on glutathione-S-transferase activity induced by atrazine exposure in zebrafish (Danio rerio). Environmental Toxicology. 26, 480-488 (2011).
check_url/it/62021?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Huang, Y., Tao, Y., Cai, C., Chen, J., Ji, C., Aniagu, S., Jiang, Y., Chen, T. Using Immunofluorescence to Detect PM2.5-induced DNA Damage in Zebrafish Embryo Hearts. J. Vis. Exp. (168), e62021, doi:10.3791/62021 (2021).

View Video