Date of Award

12-2020

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Program

Biomedical Sciences

Track

Molecular and Systems Pharmacology

Research Advisor

Byron C. Jones, PhD

Committee

Yan Cui, PhD Alex M. Dopico, MD, PhD Francesca-Fang Liao, PhD Steven J. Tavalin, PhD

Keywords

cerebellum, iron, metals, sporadic Parkinson’s disease, systems genetics, ventral midbrain

Abstract

Paraquat (PQ) is a chemical herbicide that is used in many countries including the United States. It is also highly acutely toxic to humans and has been used as a means of suicide. As PQ is applied mainly in agricultural settings, it moves to soil and well water. Chronic low dose exposure via drinking water may have adverse effects on humans, including increased risk for sporadic Parkinson’s disease (sPD). The etiology of sPD is unclear and the most accepted hypothesis states it is the result of the interaction between environmental factors and genetic susceptibility. Increasing evidence led us to infer a relationship between iron metabolism in the brain, environmental toxicants like paraquat, and sPD. Our hypothesis is that variable genetic factors contribute to differential paraquat-induced iron dyshomeostasis which causes neural toxicity by producing free oxygen radicals and by other mechanisms that need to be characterized. We demonstrated here that paraquat can enter the brain and its variable cerebellar level is a result of strain and dose. This fact may contribute to set the environment to paraquat neurotoxicity through complex pathways. In this work, genetic mapping of the phenotypes revealed significant quantitative trait loci (QTL) for iron (Chr5 @ 24Mb, LOD 4.09), in which genes fall within distinct categories including iron ion homeostasis, iron ion import into cell, serine/threonine kinase activity, cellular sodium ion homeostasis, positive regulation of neuron death, among others. From the gene network, we inferred that paraquat affected not only iron regulation but also kinase activity. From the genetic mapping of proinflammatory cytokines, we obtained a QTL in Chr9 for Il-1β. Within this locus, we found a gene that has been related to risk for neurodegeneration, such as Myelin-associated oligodendrocytic basic protein (Mobp), and the Rpl14 gene, which encodes a ribosomal protein that is a component of the 60S subunit and has been related to paraquat exposure. Additionally, our work supports the idea that PQ does not necessarily activate microglia but produces other effects that lead to microglial activation. First in the chain, it must be PQ internalization to neurons (DA and non-DA) which will generate intracellular redox cycling, ROS, iron dyshomeostasis, and subsequent cell death. Following on the nomination of suggestive genes here, we are investigating paraquat effects on neuronal injury in substantia nigra in a subset of the BXD panel using immunohistochemistry. Thus, the approach would be to do an unbiased quantification of the number of tyrosine hydroxylase positive (TH+) cells in the SNpc in a subset of the BXD panel exposed to paraquat or saline. The hypothesis is that the strains showing the highest response to PQ (from this work) will show the greatest loss of tyrosine hydroxylase staining in the SNpc. This will allow us to compare our metal phenotypes in VMB, especially iron, with TH+ counts phenotypes and determine if there is a direct relationship among them and validate or complement our group of genes already determined in this work. The results reported here showed the heuristic value of systems genetics and systems biology approach in the complexity of neurotoxicology and provides clarification of pathways that may underlay sPD pathogenesis.

Abstract (Spanish) El paraquat (PQ) es un herbicida que se utiliza en muchos países, incluyendo Estados Unidos. También es muy tóxico para los humanos y se ha utilizado como medio de suicidio. El PQ se aplica principalmente en entornos agrícolas donde se traslada al suelo y al agua de estanques. La exposición crónica a bajas dosis a través del agua potable puede tener efectos adversos en los seres humanos, incluido un mayor riesgo de Enfermedad de Parkinson esporádica (EPs). La etiología de la EPs no es evidente y la hipótesis más aceptada establece que es el resultado de la interacción entre factores ambientales y susceptibilidad genética. La creciente evidencia nos llevó a inferir una relación entre el metabolismo del hierro en el cerebro, tóxicos ambientales como el paraquat y EPs. De esta manera, nuestra hipótesis es que factores genéticos variables contribuyen a la dishomeostasis del hierro diferencial inducida por el paraquat que causa toxicidad neuronal al producir radicales libres y por otros mecanismos que necesitan ser caracterizados. Demostramos en este trabajo que el paraquat puede ingresar al cerebro, con concentración variable y es el resultado de la composición genética de las sepas de ratones y de la dosis de PQ. Este hecho puede contribuir a configurar el entorno para la neurotoxicidad del paraquat a través de vías complejas.

En este trabajo, el mapeo genético de los fenotipos reveló un loci de rasgos cuantitativos (QTL) significativos para el hierro (Chr 5 @ 24Mb, LOD 4.09), en los que los genes se encuentran dentro de distintas categorías que incluyen homeostasis de iones de hierro, importación de iones de hierro a la célula, serina / treonina con actividad quinasa, homeostasis del ión de sodio celular, regulación positiva de la muerte neuronal, entre otros. De la red genética, podemos inferir que el paraquat está afectando no solo la regulación del hierro sino también la actividad de las quinasas. A partir del mapeo genético de citocinas proinflamatorias, obtuvimos un QTL en el Chr9 para Il-1β. Dentro de este locus, encontramos un gen que se ha relacionado con el riesgo de neurodegeneración, como la proteína básica oligodendrocítica asociada a mielina (Mobp), y el gen Rpl14, que codifica una proteína ribosómica que es un componente de la subunidad 60S, estos genes han sido antes relacionados con la exposición al paraquat. Además, nuestro trabajo apoya la idea de que PQ no necesariamente activa las microglías, sino que produce otros efectos que conducen a la activación de las microglías. Primero en la cadena, debe ser la internalización de PQ a las neuronas (DA y no DA) lo que generará el ciclo intracelular de reducción-oxidación, dishomeostasis del hierro y la posterior muerte celular. Siguiendo la nominación de genes sugestivos aquí, estamos investigando los efectos del paraquat sobre la lesión neuronal en la substantia nigra en un subconjunto del panel BXD utilizando inmunohistoquímica. Por tanto, el enfoque sería realizar una cuantificación imparcial del número de células positivas para tirosina hidroxilasa (TH+) en la SNpc en un subconjunto del panel BXD expuesto a paraquat o a solución salina. Nuestra hipótesis es que las cepas que muestren la respuesta más alta a PQ (en el presente trabajo) mostrarán la mayor pérdida de tinción de tirosina hidroxilasa en el SNpc. Esto nos permitirá comparar nuestros fenotipos de hierro en el cerebro medio ventral con fenotipos de conteos TH+ y determinar si existe una relación significativa entre ellos y validar o complementar nuestro grupo de genes ya determinados en este trabajo. Los resultados presentados aquí muestran el valor heurístico del enfoque de la genética y biología de sistemas en la complejidad de la neurotoxicología y proporcionan una aclaración de las vías que pueden subyacer a la patogénesis de la EPs.

Declaration of Authorship

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ORCID

https://orcid.org/0000-0001-6373-5467

DOI

10.21007/etd.cghs.2020.0525

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