MtDNA damage as a biomarker for environmental mitochondrial toxicity

线粒体 DNA 损伤作为环境线粒体毒性的生物标志物

基本信息

项目摘要

Demonstrating or verifying a current or past exposure to an environmental mitochondrial toxin is extraordinarily difficult. For any given toxin, tissue distribution and pharmacokinetics of the toxin may be unknown. Low-level exposure may not produce a clinical phenotype, and depending on the assay chosen, functional mitochondrial impairment or enzyme inhibition may not persist beyond the acute exposure (or metabolism/excretion of the toxin). Thus, there is a pressing need to develop a biomarker for exposure to environmental mitochondrial inhibitors that is (i) sensitive, (i) at least semi- quantitative, (iii) enduring after toxin exposure has ceased, (iv) stable after specimen collection, and (v) highly reproducible. Another problem is that after exposure to certain mitochondrial toxins, some tissues are selectively vulnerable to damage while others are resistant. For example, when rats are exposed to rotenone chronically, they develop selective degeneration of the nigrostriatal dopamine system similar to Parkinson disease. The molecular and physiological basis for such heterogeneity in biological response is obscure and no biomarker of selective vulnerability exists. Our preliminary data suggest that mtDNA damage in blood or skeletal muscle may provide a biomarker of past or ongoing toxin exposure, and nuclear DNA (nDNA) damage may be a preclinical biomarker of selective vulnerability. For these studies, we will use an extremely sensitive PCR-based assay of DNA damage (both mtDNA & nDNA) that simultaneously allows assessment of multiple forms of damage, and further allows assessment of mtDNA and nDNA damage in the same samples, without a need for mitochondrial isolation. The Specific Aims of this proposal are: 1. (a) Determine how soon after rotenone exposure mtDNA damage can be detected in blood and muscle. (b) Determine the duration, after a single exposure, that mtDNA damage can be detected. 2. Determine the minimal level of complex I inhibition that is required to cause detectable mtDNA damage. 3. Determine whether nuclear DNA (nDNA) damage is a marker of tissues that are selectively vulnerable to mitochondrial toxin-induced degeneration.!! 4. (a) Determine whether peripheral mtDNA damage is a common feature of systemically active complex I inhibitors. (b) Determine whether mtDNA damage is a common feature of other ETC inhibitors, including those acting at complexes II-IV. Preliminary results suggest our assay will provide a biomarker that is relatively simple, extremely sensitive, quantitative, enduring after exposure has ceased, stable after collection, and highly reproducible.
证明或验证当前或过去暴露于环境线粒体毒素是 异常困难。对于任何给定的毒素,毒素的组织分布和药代动力学可能 未知。低水平暴露可能不会产生临床表型,具体取决于检测 选择,功能性线粒体损伤或酶抑制可能不会持续超过急性期 暴露(或毒素的代谢/排泄)。因此,迫切需要开发一种生物标志物 对于暴露于(i)敏感的环境线粒体抑制剂,(i)至少半敏感 定量,(iii) 毒素暴露停止后持久,(iv) 样本采集后稳定,以及 (v) 高度可重复。另一个问题是,在接触某些线粒体毒素后,一些 组织选择性地容易受到损害,而其他组织则具有抵抗力。例如,当老鼠 长期接触鱼藤酮,它们会发生黑质纹状体多巴胺的选择性变性 类似于帕金森病的系统。这种异质性的分子和生理学基础 生物反应是模糊的,并且不存在选择性脆弱性的生物标志物。我们的初步 数据表明,血液或骨骼肌中的 mtDNA 损伤可能提供生物标志物 过去或现在的毒素暴露,核 DNA (nDNA) 损伤可能是 选择性脆弱性的临床前生物标志物。对于这些研究,我们将使用极其 基于 PCR 的 DNA 损伤(mtDNA 和 nDNA)灵敏检测,同时允许 评估多种形式的损伤,并进一步允许评估 mtDNA 和 nDNA 损伤 在相同的样品中,无需进行线粒体分离。该提案的具体目标是: 1. (a) 确定鱼藤酮暴露后多长时间可以在血液和 肌肉。 (b) 确定单次暴露后可检测到 mtDNA 损伤的持续时间。 2. 确定引起可检测到的 mtDNA 所需的复合物 I 抑制的最低水平 损害。 3. 确定核 DNA (nDNA) 损伤是否是选择性损伤组织的标志 容易受到线粒体毒素引起的变性。!! 4. (a) 确定外周 mtDNA 损伤是否是系统性活动的共同特征 复合物 I 抑制剂。 (b) 确定mtDNA损伤是否是其他ETC的共同特征 抑制剂,包括作用于复合物 II-IV 的抑制剂。 初步结果表明我们的测定将提供一种相对简单、极其 灵敏、定量、接触停止后持久、收集后稳定、高度 可重现。

项目成果

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