226 65 47MB
English Pages XIX, 682 [692] Year 2020
Dayong Wang
Exposure Toxicology in Caenorhabditis elegans
Exposure Toxicology in Caenorhabditis elegans
Dayong Wang
Exposure Toxicology in Caenorhabditis elegans
Dayong Wang Medical School Southeast University Nanjing, Jiangsu, China
ISBN 978-981-15-6128-3 ISBN 978-981-15-6129-0 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-981-15-6129-0 © The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2020 This work is subject to copyright. All rights are solely and exclusively licensed by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors, and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, expressed or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. This Springer imprint is published by the registered company Springer Nature Singapore Pte Ltd. The registered company address is: 152 Beach Road, #21-01/04 Gateway East, Singapore 189721, Singapore
Preface
Toxicology and biology are reciprocal to a great degree. Toxicology and biology can and should have the potential to mirror each other. During the past 30 years, the nematode Caenorhabditis elegans has been widely and frequently used to assess the toxicity of different environmental toxicants or stresses. Due to the properties of model animal and the sensitivity to environmental exposures, C. elegans can be used to assess toxicity of various environmental toxicants or stresses even at environmentally relevant doses. Meanwhile, C. elegans has the potential to provide a powerful assay system for the study of both molecular toxicology and target organ toxicology at the whole animal level. We have introduced the knowledge system of molecular toxicology in “Molecular Toxicology in Caenorhabditis elegans” and the knowledge system of target organ toxicology in “Target Organ Toxicology in Caenorhabditis elegans.” Both the toxicity assessment and the toxicological study need the establishment of an exposure system in nematodes. The established exposure system in nematodes should at least satisfy these three aspects. Firstly, it should be useful to perform the toxicity assessment at the whole animal level. Secondly, it should be helpful to assess the toxicity of toxicants or stresses at low doses, especially at environmentally relevant doses. Thirdly, it should allow the works on systematic toxicological studies, such as molecular toxicology and target organ toxicology. For the definition of exposure toxicology, this subject should at least provide the contributions to answer these three concerns: 1 . What an exposure system should be or can it be established? 2. Which aspects of endpoints should be raised to assess the toxicity of environmental toxicants or stresses? 3. Which factors influencing the toxicity induction and how the exposure to environmental toxicants or stresses should be carefully considered and controlled during the exposure? Based on these three concerns, in Chaps. 1, 2, 3, 4 and 5, we introduced and discussed the exposure system established in nematodes. In Chaps. 6, 7, 8, 9 and 10, we introduced the different aspects of endpoints used to assess the toxicity of v
vi
Preface
environmental toxicants or stresses in nematodes. In Chaps. 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 and 21, we introduced and discussed the multiple factors influencing the toxicity induction and exposure to environmental toxicants or stresses in nematodes. The information in Chaps. 20 and 21 also reflect the important contributions of assay system of C. elegans to environmental science and toxicology to a great degree. Nanjing, Jiangsu, China Dayong Wang
Contents
1 Exposure Duration of Environmental Toxicants or Stresses��������������� 1 1.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 1 1.2 Acute Exposure�������������������������������������������������������������������������������� 2 1.2.1 Exposure from Young Adult for 24 H ���������������������������������� 2 1.2.2 Exposure from L4-Larvae for 24 H�������������������������������������� 3 1.2.3 Acute Exposure for a Very Short Duration �������������������������� 3 1.2.4 Toxicity Assessment Between Different Acute Exposure Durations������������������������������������������������������������������������������ 5 1.2.5 Application in Assessment of Environmental Samples�������� 6 1.3 Prolonged Exposure�������������������������������������������������������������������������� 8 1.3.1 Exposure from L1-Larvae to Young Adult���������������������������� 8 1.3.2 Exposure from L1-Larvae to Adult Day-1���������������������������� 8 1.3.3 Exposure from L1-Larvae to Adult Day-3���������������������������� 9 1.4 Chronic Exposure������������������������������������������������������������������������������ 11 1.4.1 Exposure from Adult Day-1 to Adult Day-10���������������������� 12 1.4.2 Exposure from Adult Day-1 to Adult Day-8������������������������ 12 1.4.3 Exposure from L1-Larvae to Adult Day-8���������������������������� 12 1.4.4 Comparison of Two Chronic Exposure Durations���������������� 16 1.5 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 16 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 18 2 Exposure Stages of Environmental Toxicants or Stresses�������������������� 23 2.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 23 2.2 Larval Stages������������������������������������������������������������������������������������ 24 2.3 Young Adult Stage���������������������������������������������������������������������������� 25 2.4 Adult Stages�������������������������������������������������������������������������������������� 25 2.4.1 Adult Day-1�������������������������������������������������������������������������� 25 2.4.2 Adults During the Aging Process������������������������������������������ 27 2.5 Embryo Stage������������������������������������������������������������������������������������ 27 2.5.1 Cell Viability ������������������������������������������������������������������������ 27 2.5.2 Exposure from the Embryo Stage ���������������������������������������� 28 vii
viii
Contents
2.6 Molting Time������������������������������������������������������������������������������������ 28 2.7 Dauer Stage�������������������������������������������������������������������������������������� 32 2.7.1 Resistance of Dauer to Environmental Toxicants or Stresses ��� 32 2.7.2 Role of Dauer Pheromone���������������������������������������������������� 32 2.8 Stage-Specific Analysis of Toxicity of Toxicants or Stresses ���������� 35 2.9 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 36 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 37 3 Complex Exposures to Environmental Toxicants or Stresses�������������� 41 3.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 41 3.2 Combinational Exposure to Toxicants and/or Stresses �������������������� 42 3.2.1 Combinational Exposure to Different Soluble Toxicants ���� 42 3.2.2 Combinational Exposure to Soluble Toxicant and Particulate Toxicant�������������������������������������������������������������� 44 3.2.3 Combinational Exposure to Different Particulate Toxicants ������������������������������������������������������������������������������ 46 3.2.4 Combinational Exposure to a Toxicant and a Stress������������ 50 3.2.5 Beneficial Function Confirmation Based on Analysis of Combinational Exposure������������������������������������������������������ 52 3.3 Sequential Exposure to Toxicants and/or Stresses���������������������������� 53 3.3.1 Toxic Effects ������������������������������������������������������������������������ 53 3.3.2 Beneficial Effects������������������������������������������������������������������ 59 3.4 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 67 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 68 4 Transgenerational Toxicity of Environmental Toxicants or Stresses������ 73 4.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 73 4.2 Transgenerational Toxicity of Environmental Toxicants or Stresses Induced by Certain Exposure Duration�������������������������������������������� 74 4.2.1 Transgenerational Toxicity Induced by Heavy Metals �������� 74 4.2.2 Transgenerational Toxicity Induced by Organic Pollutants ���� 76 4.2.3 Transgenerational Toxicity Induced by Nanomaterials�������� 78 4.2.4 Transgenerational Toxicity Induced by Particulate Matters (PM)�������������������������������������������������������������������������������������� 83 4.2.5 Transgenerational Toxicity of Toxicants at Environmentally Relevant Concentrations ������������������������������������������������������ 85 4.3 Biological Effects of Successive Multigenerational Exposure to Environmental Toxicants or Stresses������������������������������������������������ 86 4.3.1 Effects of a Certain Form of Successive Multigenerational Exposure to Environmental Toxicants���������������������������������� 86 4.3.2 Biological Effects of Successive Multigenerational Exposure to Environmental Toxicants or Stresses���������������� 86 4.3.3 Biological Effects of Successive Multigenerational Exposure to PM Particles������������������������������������������������������ 88 4.3.4 Biological Effects of Successive Multigenerational Exposure to Environmental Toxicants at Environmentally Relevant Concentrations ������������������������������������������������������ 89
Contents
ix
4.3.5 Application in the Safety Assessment of Certain Chemicals������������������������������������������������������������������������������ 89 4.4 Biological Effects of Intermittent Multigenerational Exposure to Environmental Toxicants or Stresses������������������������������������������������ 91 4.5 Transgenerational Translocation of Environmental Toxicants���������� 93 4.5.1 Transgenerational Translocation of Environmental Toxicants from Parents to the Body of Their Progeny���������� 93 4.5.2 Transgenerational Translocation of Environmental Toxicants into the Embryos�������������������������������������������������� 93 4.6 Transgenerational Adaptation to Environmental Toxicants or Stresses���������������������������������������������������������������������������������������������� 94 4.7 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 95 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 97 5 Exposure Routes of Environmental Toxicants�������������������������������������� 101 5.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 101 5.2 Feeding Exposure to Environmental Toxicants�������������������������������� 102 5.2.1 Feeding with Liquid Solutions���������������������������������������������� 102 5.2.2 Feeding with Particle Suspensions���������������������������������������� 102 5.2.3 Feeding on Solid NGM Plates���������������������������������������������� 107 5.3 Epidermal Exposure to Environmental Toxicants���������������������������� 108 5.3.1 Exposure to Environmental Toxicants in Nematodes with Deficits in Epidermal Barrier������������������������������������������������ 108 5.3.2 Exposure to PEG-Modified GO (GO-PEG) in Nematodes with Deficits in Epidermal Barrier���������������������������������������� 108 5.3.3 Wounding Exposure to the Environment������������������������������ 111 5.4 Target Organ Exposure to Environmental Toxicants������������������������ 111 5.5 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 112 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 114 6 Basic Endpoints for Toxicity Assessment of Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������������������������������������������������������� 119 6.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 119 6.2 Lethality�������������������������������������������������������������������������������������������� 120 6.2.1 Use for Toxicity Assessment of Environmental Toxicants������ 120 6.2.2 Evaluation of Lethality by the Survival Curve��������������������� 120 6.2.3 Evaluation of Lethality by Fluorescence Labeling �������������� 121 6.2.4 Sensitivity Comparison Between Lethality and Body Length ���������������������������������������������������������������������������������� 122 6.3 Lifespan, Aging-Related Phenotypes, and Healthspan �������������������� 124 6.3.1 Lifespan�������������������������������������������������������������������������������� 125 6.3.2 Aging-Related Phenotypes��������������������������������������������������� 130 6.3.3 Healthspan���������������������������������������������������������������������������� 135 6.4 Oxidative Stress�������������������������������������������������������������������������������� 135 6.4.1 Oxidative Stress Induced by Environmental Toxicants�������� 136 6.4.2 Oxidative Stress Induced by Environmental Stresses���������� 142
x
Contents
6.5 Development ������������������������������������������������������������������������������������ 143 6.5.1 Morphological Alterations���������������������������������������������������� 143 6.5.2 Alteration in Cell Lineage���������������������������������������������������� 145 6.5.3 Developmental Fitness���������������������������������������������������������� 147 6.6 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 149 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 150 7 Endpoints for Assessing the Toxicity on Primary Targeted Organs������������������������������������������������������������������������������������������������������ 155 7.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 155 7.2 Endpoints for Assessing the Toxicity on Primary Targeted Organ: Intestine�������������������������������������������������������������������������������������������� 156 7.2.1 Crucial Role of Intestinal Barrier Against the Toxicity of Environmental Toxicants������������������������������������������������������ 156 7.2.2 Endpoints for Assessing the Toxicity on Intestinal Development ������������������������������������������������������������������������ 157 7.2.3 Endpoints for Assessing the Toxicity on Intestinal Function�������������������������������������������������������������������������������� 165 7.3 Endpoints for Assessing the Toxicity on Primary Targeted Organ: Epidermis������������������������������������������������������������������������������������������ 172 7.3.1 Crucial Role of Epidermal Barrier Against the Toxicity of Environmental Toxicants������������������������������������������������������ 172 7.3.2 Deficits in Epidermal Development Induced by Environmental Toxicants������������������������������������������������������ 173 7.4 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 175 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 176 8 Endpoints for Assessing the Toxicity on Secondary Targeted Organs������������������������������������������������������������������������������������������������������ 181 8.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 181 8.2 Endpoints for Assessing the Toxicity on Secondary Targeted Organ: Nervous System�������������������������������������������������������������������� 182 8.2.1 Endpoints for Assessing the Toxicity on Neuronal Development ������������������������������������������������������������������������ 182 8.2.2 Endpoints for Assessing the Toxicity on Neuronal Function�������������������������������������������������������������������������������� 205 8.3 Endpoints for Assessing the Toxicity on Secondary Targeted Organ: Reproductive Organs������������������������������������������������������������ 225 8.3.1 Reproductive Toxicity in Hermaphrodite Nematodes���������� 225 8.3.2 Reproductive Toxicity in Male Nematodes�������������������������� 241 8.3.3 Reproductive Toxicity on Mating ���������������������������������������� 247 8.4 Endpoints for Assessing the Toxicity on Secondary Targeted Organ: Muscle���������������������������������������������������������������������������������� 249 8.5 Sensitivity Comparison of Endpoints for Assessing the Toxicity of Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������������������� 250 8.6 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 251 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 253
Contents
xi
9 Endpoints for Assessing the Toxicity on Biochemical Processes���������� 259 9.1 Introduction�������������������������������������������������������������������������������������� 259 9.2 Endpoints for Assessing the Toxicity in Affecting Biochemical Events������������������������������������������������������������������������������������������������ 260 9.2.1 Damage in Inducing Proteotoxicity�������������������������������������� 260 9.2.2 Damage in Inhibiting Protein Translation���������������������������� 263 9.2.3 Damage on Protein–Protein Interaction�������������������������������� 265 9.2.4 Damage in Decreasing RNA/DNA Ratio and Protein Concentration������������������������������������������������������������������������ 266 9.2.5 Damage in Inducing DNA Replication Stress���������������������� 267 9.2.6 Damage in Inducing RNA Toxicity�������������������������������������� 268 9.2.7 Damage in Affecting microRNA Biogenesis������������������������ 270 9.2.8 Damage in Altering Chemical Mechanism for Oxidative Stress ������������������������������������������������������������������������������������ 270 9.3 Endpoints for Assessing the Toxicity in Affecting Biochemical Metabolisms�������������������������������������������������������������������������������������� 273 9.3.1 Damage on Fat Metabolism�������������������������������������������������� 273 9.3.2 Damage on Poly(ADP-Ribosyl)ation (PARylation) ������������ 274 9.3.3 Damage on Glucose Metabolism������������������������������������������ 278 9.3.4 Damage on Metal Homeostasis�������������������������������������������� 279 9.3.5 Damage on Metabolism Based on Metabolic Profiling Analysis�������������������������������������������������������������������������������� 279 9.4 Perspectives�������������������������������������������������������������������������������������� 281 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 283 10 Endpoints for Assessing the Genotoxicity and the Genetic Toxicity���������������������������������������������������������������������������������������� 287 10.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 287 10.2 Endpoints for Assessing the Genotoxicity of Environmental Toxicants or Stresses���������������������������������������������������������������������� 288 10.2.1 Endpoints for Assessing the DNA Damage Induction������ 288 10.2.2 Damage on DNA Repair �������������������������������������������������� 296 10.2.3 Damage in Inducing RNA Processing Errors ������������������ 298 10.2.4 Damage in Inducing Chromosome Abnormality�������������� 301 10.3 Endpoints for Assessing the Genetic Toxicity of Environmental Toxicants or Stresses���������������������������������������������������������������������� 303 10.4 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 305 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 306 11 Role of Exposure Dose in Toxicity Induction of Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������������������������������������������������������� 309 11.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 309 11.2 Dynamic Responses to Different Doses of Environmental Toxicants or Stresses���������������������������������������������������������������������� 310 11.2.1 The Hiding Responses to Low Doses of Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������������������������������� 310
xii
Contents
11.2.2 Different Responses to Environmental Toxicants or Stresses at Different Doses ���������������������������������������������� 312 11.2.3 Dynamic Toxicity Comparison of Different Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������� 314 11.3 Evaluation of Toxicity of Toxicants or Stresses at Environmentally Relevant Doses���������������������������������������������������� 317 11.3.1 Long-Term Exposure Used to Assess the Toxicity of Toxicants or Stresses at Environmentally Relevant Doses�������������������������������������������������������������������������������� 317 11.3.2 Value of Nematodes with Certain Genetic Mutation for Assessing the Toxicity of Toxicants or Stresses at Environmentally Relevant Doses�������������������������������������� 317 11.3.3 Value of Nematodes with Functional Deficit in Intestinal Barrier for Assessing the Toxicity of Toxicants or Stresses at Environmentally Relevant Doses�������������������� 320 11.3.4 Certain Chemical Modifications Induce Toxicity of Toxicants at Environmentally Relevant Doses������������������ 320 11.4 Induction of Adaptive Response by Pre-exposure to Low Dose of Toxicants or Stresses������������������������������������������������������������������ 322 11.4.1 Hormetic Response to Environmental Toxicants or Stresses������������������������������������������������������������������������������ 322 11.4.2 Cross-Adaptive Response Induced by Low Dose of Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������� 323 11.4.3 Effect of Pre-exposure or Subsequent Exposure Doses of Environmental Toxicants or Stresses on Adaptive Response Induction���������������������������������������������������������� 324 11.4.4 Effect of Genetic Mutations on Induction of Adaptive Response to Environmental Toxicants or Stresses������������ 326 11.5 Use of Passive Dosing to Maintain Constant Exposure Dose of Hydrophobic Toxicants During the Toxicity Assay������������������������ 326 11.6 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 329 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 330 12 Role of Environmental Factors in Toxicity Induction of Environmental Toxicants or Stresses ������������������������������������������������ 333 12.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 333 12.2 Environmental Factors Affecting the Toxicity Induction of Toxicants or Stresses���������������������������������������������������������������������� 334 12.2.1 Temperature���������������������������������������������������������������������� 334 12.2.2 pH Value���������������������������������������������������������������������������� 340 12.2.3 Light���������������������������������������������������������������������������������� 341 12.2.4 Medium ���������������������������������������������������������������������������� 345 12.2.5 Population Size ���������������������������������������������������������������� 347 12.3 Recovery Response to the Toxicity of Environmental Toxicants or Stresses �������������������������������������������������������������������������������������� 349
Contents
xiii
12.3.1 Recovery Response to the Toxicity of Environmental Toxicants �������������������������������������������������������������������������� 349 12.3.2 Recovery Response to the Toxicity of Environmental Stresses������������������������������������������������������������������������������ 351 12.4 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 354 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 354 13 Effects of Environmental Sample Forms on Toxicity Induction���������� 359 13.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 359 13.2 Water Samples�������������������������������������������������������������������������������� 360 13.2.1 River Samples ������������������������������������������������������������������ 360 13.2.2 Polluted Water Samples���������������������������������������������������� 365 13.2.3 Oil Samples���������������������������������������������������������������������� 369 13.2.4 Particulate Suspension Samples���������������������������������������� 370 13.2.5 Artificial Solution Samples���������������������������������������������� 374 13.3 Atmospheric Samples �������������������������������������������������������������������� 377 13.3.1 Gas Samples���������������������������������������������������������������������� 377 13.3.2 Toxicity Assessment of Toxicants in Gas Samples ���������� 382 13.3.3 Fine Particulate Matter (PM2.5) ���������������������������������������� 382 13.3.4 Toxicity Assessment of Volatiles Emitted������������������������ 392 13.4 Sediment Samples�������������������������������������������������������������������������� 392 13.4.1 Toxicity Assessment of Sediment Samples���������������������� 392 13.4.2 Evaluation of Toxicants in Sediment Samples������������������ 393 13.5 Soil Samples����������������������������������������������������������������������������������� 396 13.5.1 Toxicity Assessment of Soil Samples ������������������������������ 396 13.5.2 Toxicity Assessment of Extracts from Soil Samples�������� 399 13.5.3 Toxicity Assessment of Toxicants in the Soil ������������������ 399 13.5.4 Toxicity Assessment of Soil Pore Water Samples������������ 405 13.6 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 405 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 407 14 Roles of Physicochemical Properties of Toxicants in Toxicity Induction�������������������������������������������������������������������������������������������������� 413 14.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 413 14.2 Physical Properties of Environmental Toxicants���������������������������� 414 14.2.1 Size������������������������������������������������������������������������������������ 414 14.2.2 Shape�������������������������������������������������������������������������������� 419 14.2.3 Surface Charge������������������������������������������������������������������ 421 14.2.4 Surface Adsorption Ability ���������������������������������������������� 423 14.2.5 Ionic Liquids �������������������������������������������������������������������� 425 14.2.6 Surfactants������������������������������������������������������������������������ 427 14.2.7 Dispersants������������������������������������������������������������������������ 430 14.3 Chemical Properties of Environmental Toxicants�������������������������� 432 14.3.1 Metal Ion Release ������������������������������������������������������������ 432 14.3.2 Additives �������������������������������������������������������������������������� 434 14.3.3 Impurity���������������������������������������������������������������������������� 436
xiv
Contents
14.3.4 Species������������������������������������������������������������������������������ 438 14.3.5 Chelators �������������������������������������������������������������������������� 439 14.3.6 Surface Chemical Modifications�������������������������������������� 439 14.4 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 454 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 455 15 Roles of Environmental Media and Chemical Transformations of Environmental Toxicants in Toxicity Induction������������������������������������ 461 15.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 461 15.2 Effects of Environmental Media on Toxicity Induction of Toxicants ���������������������������������������������������������������������������������������� 462 15.2.1 Medium with Different Ion Strength�������������������������������� 462 15.2.2 Natural Organic Matter (NOM)���������������������������������������� 464 15.2.3 Soil Pore Water Property�������������������������������������������������� 466 15.3 Interactions Between Different Toxicants�������������������������������������� 466 15.4 Chemical Transformations of Toxicants ���������������������������������������� 469 15.4.1 Chemical Transformations of Toxicants in Environmental Media�������������������������������������������������������� 469 15.4.2 Chemical Transformations of Toxicants in the Body of Nematodes������������������������������������������������������������������������ 472 15.5 Toxicity Comparison Between Toxicants and Their Metabolites������ 475 15.5.1 Dimethyl Terephthalate (DMT) and Its Metabolite of Mono-Methyl Terephthalate (MMT)���������������������������� 475 15.5.2 Chiral Insecticide IPP and Its Intermediates�������������������� 477 15.6 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 481 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 482 16 Bioavailability, Enrichment, and Translocation of Environmental Toxicants �������������������������������������������������������������������������������������������������� 485 16.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 485 16.2 Bioavailability�������������������������������������������������������������������������������� 486 16.2.1 Elemental Analysis of Metals ������������������������������������������ 486 16.2.2 Elemental Distribution in the Body���������������������������������� 487 16.2.3 Direct Visualization of Particles in the Body�������������������� 491 16.2.4 Detection of Distribution of Toxicants Based on Fluorescent Labeling�������������������������������������������������������� 495 16.3 Biological Enrichment�������������������������������������������������������������������� 496 16.4 Translocation of Toxicants in the Body������������������������������������������ 498 16.4.1 Translocation in the Body ������������������������������������������������ 498 16.4.2 Translocation in the Cells ������������������������������������������������ 503 16.5 Effect of Surface Chemical Modifications on Translocation of Toxicants ���������������������������������������������������������������������������������������� 506 16.5.1 PEG Modification ������������������������������������������������������������ 506 16.5.2 Carboxylic Acid Modification������������������������������������������ 508 16.5.3 FBS Coating���������������������������������������������������������������������� 510 16.5.4 ZnS Coating���������������������������������������������������������������������� 510
Contents
xv
16.6 Effect of Genetic Mutations on Translocation of Toxicants ���������� 512 16.6.1 Genetic Mutations Enhanced the Translocation of Toxicants �������������������������������������������������������������������������� 512 16.6.2 Genetic Mutations Suppressed the Translocation of Toxicants �������������������������������������������������������������������������� 514 16.7 Interactions Between Toxicants and Intestinal Barrier ������������������ 514 16.7.1 Crucial Protection Function of Intestinal Barrier������������� 514 16.7.2 Roles of Endocytosis and Phagocytosis���������������������������� 516 16.8 Quantification of Internalized Environmental Toxicants���������������� 521 16.8.1 Quantification of Internalized Metal�������������������������������� 521 16.8.2 Quantification of Internalized Organic Compounds �������� 522 16.9 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 523 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 525 17 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Genetic Mutations�������������������������������������������������������������������������������������������������� 531 17.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 531 17.2 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Oxidative Stress���������������������������������������������� 532 17.2.1 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutation of gas-1 Gene���������������������������������������������������� 532 17.2.2 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutation of nlg-1 Gene���������������������������������������������������� 533 17.2.3 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutation of sod Genes������������������������������������������������������ 535 17.2.4 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutation of gcs-1 Gene���������������������������������������������������� 538 17.3 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Stress Response�������������������������������������������������� 539 17.3.1 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes in Insulin Signaling Pathway������������ 539 17.3.2 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes in p38 MAPK Signaling Pathway���� 542 17.3.3 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes in ERK MAPK Signaling Pathway���������������������������������������������������������������������������� 545 17.3.4 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes in JNK MAPK Signaling Pathway���������������������������������������������������������������������������� 548 17.3.5 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes in Wnt Signaling Pathway���������������� 550 17.3.6 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes in Developmental Timing Signaling Pathway���������������������������������������������������������������������������� 553
xvi
Contents
17.4 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Protective Responses������������������������������������������ 553 17.4.1 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Mitochondrial Unfolded Protein Response (mt UPR)���������������������������������������������� 555 17.4.2 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Endoplasmic Reticulum Unfolded Protein Response (ER UPR) ���������������������������� 558 17.4.3 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Innate Immune Response �������������������������������������������������������������������������� 560 17.4.4 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Autophagy ���������������������� 560 17.4.5 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Related to Neurotransmission���������� 562 17.5 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Required for Functional State of Biological Barriers���������� 565 17.5.1 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Required for Functional State of Intestinal Barrier �������������������������������������������������������������� 565 17.5.2 Susceptibility to Toxicants or Stresses Induced by Mutations of Genes Required for Functional State of Epidermal Barrier������������������������������������������������������������� 568 17.6 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 570 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 572 18 Contributors to Amplify the Toxicity of Toxicants or Stresses������������ 577 18.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 577 18.2 Severe Accumulation of Food in Intestinal Lumen������������������������ 578 18.3 Food Chain Transport of Environmental Toxicants������������������������ 579 18.4 Alteration in Intestinal Microbial Community ������������������������������ 581 18.5 Alteration in Biochemical Metabolisms ���������������������������������������� 584 18.6 Suppression in Innate Immune Response in Intestine�������������������� 587 18.7 Enhancement in Intestinal Permeability ���������������������������������������� 588 18.8 Prolonged Defecation Cycle Length���������������������������������������������� 590 18.9 Suppression in Protective Responses���������������������������������������������� 591 18.10 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 593 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 594 19 Exposure to Certain Environmental Stresses���������������������������������������� 597 19.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 597 19.2 Heat Stress and Cold Stress������������������������������������������������������������ 598 19.2.1 Heat Stress������������������������������������������������������������������������ 598 19.2.2 Cold Stress������������������������������������������������������������������������ 598 19.3 UV Irradiation�������������������������������������������������������������������������������� 600 19.4 γ-Irradiation, Negative Air Ions, and Microwave Fields���������������� 601
Contents
xvii
19.4.1 γ-Irradiation���������������������������������������������������������������������� 601 19.4.2 Electrically Generated Negative Air Ions ������������������������ 602 19.4.3 Microwave Fields�������������������������������������������������������������� 603 19.5 Weak Rotating Magnetic Field and Strong Static Magnetic Field 604 19.5.1 Weak Rotating Magnetic Field ���������������������������������������� 604 19.5.2 Strong Static Magnetic Field�������������������������������������������� 604 19.6 Simulated Microgravity and Simulated Hypermicrogravity���������� 605 19.6.1 Simulated Microgravity���������������������������������������������������� 605 19.6.2 Simulated Hypermicrogravity������������������������������������������ 609 19.7 Hypoxia Stress�������������������������������������������������������������������������������� 609 19.8 Osmotic Stress�������������������������������������������������������������������������������� 612 19.9 Pathogen Infection�������������������������������������������������������������������������� 612 19.9.1 Bacterial Infection������������������������������������������������������������ 612 19.9.2 Fungal Infection���������������������������������������������������������������� 613 19.10 Toxicity of Insecticidal Proteins ���������������������������������������������������� 615 19.10.1 Toxicity Assessment of Toxin Proteins ���������������������������� 615 19.10.2 Toxicity Assessment in Soil for Cultivating Transgenic Plants�������������������������������������������������������������������������������� 615 19.11 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 616 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 617 20 High-Throughput Toxicity Assessment�������������������������������������������������� 623 20.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 623 20.2 Phenotype-Based High-Throughput Toxicity Assessment ������������ 624 20.2.1 Lethality-Based High-Throughput Toxicity Assessment������������������������������������������������������������������������ 624 20.2.2 Development-Based High-Throughput Toxicity Assessment������������������������������������������������������������������������ 624 20.2.3 Reproduction-Based High-Throughput Toxicity Assessment������������������������������������������������������������������������ 625 20.2.4 Toxicity Prediction in Mammals�������������������������������������� 629 20.3 High-Throughput Toxicity Assessment Based on Mutant Nematodes�������������������������������������������������������������������������������������� 630 20.3.1 Toxicity Assessment Based on Phenotypes���������������������� 630 20.3.2 Toxicity Assessment Based on Translocation ������������������ 631 20.4 High-Throughput Sequencing to Identify the Dysregulated Genetic Loci by Environmental Toxicants or Stresses�������������������� 633 20.4.1 Dysregulated Genes by Environmental Toxicants or Stresses������������������������������������������������������������������������������ 633 20.4.2 Dysregulated MicroRNAs (miRNAs) by Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������������������������������� 635 20.4.3 Dysregulated Long Noncoding RNAs (lncRNAs) by Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������� 638 20.4.4 Dysregulated Circular RNAs (circRNAs) by Environmental Toxicants or Stresses�������������������������������� 640
xviii
Contents
20.4.5 Dysregulated Proteins by Environmental Toxicants or Stresses������������������������������������������������������������������������������ 643 20.5 Vale of Microfluidic Chip for High-Throughput Screening ���������� 643 20.6 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 645 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 647 21 Toxicity Assessment Under the Pathological Conditions���������������������� 653 21.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 653 21.2 Comparative Genomic Analysis of C. elegans and Human Genes���������������������������������������������������������������������������������������������� 654 21.2.1 Searching for Conserved Genes in C. elegans Genome ���������������������������������������������������������������������������� 654 21.2.2 Genes Encoding Orthologs of Uncharacterized Human Proteins in Nematodes������������������������������������������������������ 656 21.3 Pathological Models Established in Nematodes ���������������������������� 656 21.3.1 Alzheimer’s Disease (AD) Pathological Models�������������� 656 21.3.2 Parkinson Disease (PD) Pathological Models������������������ 660 21.3.3 Huntington’s Disease (HD) Pathological Models������������ 663 21.3.4 Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) Pathological Models������������������������������������������������������������������������������ 666 21.3.5 Oculopharyngeal Muscular Dystrophy (OPMD) Pathological Models���������������������������������������������������������� 667 21.3.6 Cancer Pathological Models �������������������������������������������� 667 21.4 Toxicity Assessment Under Pathological Conditions �������������������� 674 21.4.1 Toxicity Assessment of Environmental Toxicants Under Pathological Conditions ���������������������������������������� 674 21.4.2 Toxicity Assessment of Environmental Stresses Under Pathological Conditions���������������������������������������������������� 677 21.5 Perspectives������������������������������������������������������������������������������������ 678 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 679
Contributor
Dayong Wang Medical School, Southeast University, Nanjing, China
xix
Chapter 1
Exposure Duration of Environmental Toxicants or Stresses
Abstract The Caenorhabditis elegans has been shown to be very sensitive to various environmental exposures. The suitable design of exposure durations contributes greatly to the sensitivity of C. elegans to environmental toxicants or stresses. In this chapter, we mainly introduced three exposure durations (acute exposure, prolonged exposure, and chronic exposure). For the acute exposure durations, we introduced the exposure from young adult for 24 h, the exposure from L4-larvae for 24 h, the exposure for a very short duration, and its application in assessment of environmental samples. For the prolonged exposure durations, we introduced the exposure from L1-larvae to young adult, the exposure from L1-larvae to adult day-1, and the exposure from L1-larvae to adult day-3. For the chronic exposure durations, we introduced the exposure from adult day-1 to adult day-10, the exposure from adult day-1 to adult day-8, and the exposure from L1-larvae to adult day-8. Keywords Exposure duration · Acute exposure · Prolonged exposure · Chronic exposure · Caenorhabditis elegans
1.1 Introduction So far, the nematode Caenorhabditis elegans has been widely and frequently used as an animal model for the toxicity assessment of different environmental toxicants or stresses [1–12]. Using C. elegans as an in vivo assay system, it has been found that exposure to different environmental toxicants or stresses can induce the toxicity at various aspects, such as intestinal toxicity, neurotoxicity, and reproductive toxicity [13–16]. Moreover, due to the well-described genetic and molecular backgrounds, C. elegans has been proven as a powerful tool for the elucidation of molecular mechanisms for the observed toxicity induced by different environmental toxicants or stresses [17–25]. © The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2020 D. Wang, Exposure Toxicology in Caenorhabditis elegans, https://doi.org/10.1007/978-981-15-6129-0_1
1
2
1 Exposure Duration of Environmental Toxicants or Stresses
The wide and frequent application of C. elegans in the toxicity assessment and the toxicological study of various environmental toxicants or stresses have suggested the sensitivity of this animal model to different environmental exposures. To reflect or to gain this sensitivity, at least three aspects (exposure duration, exposure stage, and exposure route) are needed to be carefully considered and designed during the exposure. In this chapter, we mainly discussed the exposure durations of environmental toxicants or stresses in nematodes. Exposure duration refers to the designed duration in order to potentially detect the existence of toxicity at certain aspects for the examined environmental toxicants or stresses. Usually, prolong the exposure duration can increase the possibility to detect the potential toxicity of environmental toxicants or stresses.
1.2 Acute Exposure In nematodes, acute exposure usually refers to the exposure to certain environmental toxicants or stresses for not more than 24 h. Acute exposure means the assessment of potential toxicity of environmental toxicants or stresses after short-term exposure in nematodes.
1.2.1 Exposure from Young Adult for 24 H Titanium dioxide nanoparticle (TiO2-NPs) is one of the widely applied engineered nanomaterials (ENMs). C. elegans has been frequently used in the toxicity assessment of TiO2-NPs [26–30]. Using intestinal reactive oxygen species (ROS)
Fig. 1.1 Comparison of intestinal ROS production between wild-type and mutant nematodes acutely exposed to TiO2-NPs [31]. Acute exposures to TiO2-NPs were performed from young adult for 24 h in K medium of 12-well sterile tissue culture plates in the presence of food
1.2 Acute Exposure
3
production as an toxicity assessment endpoint to reflect the activation of oxidative stress, acute exposure to 25 mg/L TiO2-NPs could cause the significant induction of intestinal ROS production in wild-type nematodes, whereas acute exposure to 20 μg/L TiO2-NPs did not induce the significant induction of intestinal ROS production in wild-type nematodes (Fig. 1.1) [31]. Moreover, mutation of sod-2, sod-3, mtl-2, or hsp-16.48 resulted in the formation of more severe induction of intestinal ROS production in 25 mg/L TiO2-NP-exposed nematodes compared with that in 25 mg/L TiO2-NP-exposed wild-type nematodes (Fig. 1.1) [31], suggesting the susceptibility of sod-2, sod-3, mtl-2, or hsp-16.48 mutant nematodes to the toxicity of TiO2-NPs. In nematodes, sod-2 and sod-3 encode mitochondrial Mn-SOD proteins, mtl-2 encodes one of the metallothionein (MT) proteins, and hsp-16.48 encodes a heat shock protein. To perform the exposure from young adult for 24 h, the existence of eggs in the body of nematodes should be considered.
1.2.2 Exposure from L4-Larvae for 24 H Both the exposure from young adult for 24 h and the exposure from L4-larvae for 24 h are frequently used as acute exposure durations in nematodes. Using several endpoints, the effects of acute exposure (from L4-larvae for 24-h) to dimercaptosuccinic acid (DMSA)-coated Fe2O3-nanoparticles (DMSA-coated Fe2O3-NPs) on nematodes were examined [32]. Acute exposure to DMSA-coated Fe2O3-NPs at concentrations of 0.5–100 mg/L did not induce the lethality (Fig. 1.2) [32]. Different from this, acute exposure to 100 mg/L DMSA-coated Fe2O3-NPs could suppress the development reflected by the endpoint of body length and reduce the reproduction reflected by the endpoint of brood size (Fig. 1.2) [32]. Similarly, acute exposure to 100 mg/L DMSA-coated Fe2O3-NPs altered the metabolic state reflected by the endpoints of pumping rate and mean defecation cycle length and affected the functional state of intestine reflected by the endpoint of intestinal autofluorescence (Fig. 1.2) [32]. Moreover, acute exposure to 50–100 mg/L DMSA-coated Fe2O3- NPs could decrease the locomotion behavior reflected by the endpoints of head thrash and body bend (Fig. 1.2) [32]. Acute exposure is potentially used to detect the toxicity of environmental toxicants at relatively high concentrations, such as in the range of mg/L. During the acute exposure from L4-larvae for 24 h, the E. coil OP50 (food source of C. elegans) should be added, since the further development of L4-larvae still need the food source.
1.2.3 Acute Exposure for a Very Short Duration For certain environmental toxicants or stresses with the severe toxicity, the acute exposure for a very short duration can be employed. With the volatile anesthetics (sevoflurane and isoflurane) as the examples, exposure to sevoflurane or isoflurane
4
1 Exposure Duration of Environmental Toxicants or Stresses
Fig. 1.2 Toxicity evaluation in nematodes exposed to DMSA-coated Fe2O3-nanoparticles at the L4-larvae stage for 24 h [32]. (a) Comparison of lethality in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (b) Comparison of body length in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (c) Comparison of head thrash in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (d) Comparison of body bend in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (e) Comparison of brood size in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (f) Comparison of pumping rate in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (g) Comparison of mean defecation cycle length in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (h) Comparison of intestinal autofluorescence in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. (i) Pictures showing the intestinal autofluorescence in nematodes exposed to different concentrations of Fe2O3-nanoparticles. Bars represent mean ± SEM. *P