Delineating mechanisms underlying azole-induced developmental toxicity using single cell transcriptomic approaches, genome editing tools, and alternative models

使用单细胞转录组学方法、基因组编辑工具和替代模型描述唑类诱导的发育毒性的机制

基本信息

项目摘要

Summary Azoles are antifungal agents widely-used in clinical applications and agriculture. Despite evident exposures in humans, the developmental health risks associated with azole exposures during pregnancy remains undefined. In vertebrate models, azoles cause developmental toxicity, including a spectrum of congenital malformations. While the mechanisms are unresolved, azoles induce changes in the embryo that resemble excess bioavailability of all-trans retinoic acid (RA) due to similarities in adverse morphological and molecular phenotypes. In a spatiotemporal-dependent manner, RA regulates the transcription of hundreds of genes, several with known essential functions for embryonic development. Many environmental chemicals are suspected to cause developmental toxicity by disrupting RA signaling at different points in the pathway. As we transition towards alternative, animal-free approaches for developmental toxicity testing, delineating toxicological mechanisms associated with perturbations in key signaling pathways such as RA is warranted to establish appropriate in vitro and in silico testing models for identifying chemical hazards. In this project, we propose to leverage alternative models for developmental toxicity testing: rat whole embryo culture (WEC; Aim 1), zebrafish (Zf; Aim 2) embryo, and human embryonic stem cell (hESC; Aim 3) models and innovative molecular tools (e.g., single-cell RNA sequencing, CRISPR-Cas9), to investigate mechanisms linked with azole-induced developmental toxicity during a predefined susceptible window in embryogenesis (early organogenesis). We will determine conserved molecular, cellular, and morphological changes due to azole exposure and functional targets with roles in cell proliferation, differentiation and patterning. Results will be used to delineate an adverse outcome pathway (AOP) of azole-induced developmental toxicity. Finally, our study will be one of the first investigations to implement single-cell transcriptomics and multi-gene editing to link chemical exposures to adverse developmental outcomes on molecular, cellular and organism levels.
概括 Azoles是在临床应用和农业中广泛使用的抗真菌药物。尽管有明显的暴露 人类,与怀孕期间与硫唑暴露有关的发展健康风险仍然不确定。 在脊椎动物模型中,二唑会引起发育毒性,包括一系列先天性畸形。 虽然未解决的机制,但偶氮会引起类似于多余的胚胎的变化 由于不良形态和分子的相似性,全反式视黄酸(RA)的生物利用度 表型。以时空依赖性的方式,RA调节了数百个基因的转录, 几个具有胚胎发育的已知基本功能。许多环境化学品是 怀疑通过破坏途径不同点的RA信号传导来引起发育毒性。像我们 向替代性,无动物的发育毒性测试的过渡,描述 与关键信号通路(例如RA)中的扰动相关的毒理学机制是有必要的 建立适当的体外和硅测试模型,以识别化学危害。在这个项目中,我们 提议利用替代模型进行发育毒性测试:大鼠整个胚胎培养(WEC;目标 1),斑马鱼(ZF; AIM 2)胚胎和人类胚胎干细胞(HESC; AIM 3)模型和创新 分子工具(例如,单细胞RNA测序,CRISPR-CAS9),以研究与 在胚胎发生的预定义敏感窗口中,硫唑诱导的发育毒性(早期 器官)。我们将确定由于硫唑引起的保守分子,细胞和形态变化 暴露和功能靶标在细胞增殖,分化和图案中具有作用。结果将是 用于描述偶氮诱导的发育毒性的不良结果途径(AOP)。最后,我们的 研究将是实施单细胞转录组学和多基因编辑的首批研究之一 将化学暴露与分子,细胞和生物水平的不良发育结果联系起来。

项目成果

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