Molecular mechanisms of the toxicity of perfluorooctanoic acid (PFOA)
Final Report Abstract
Perfluoroktansäure (PFOA) ist eine Industriechemikalie, die für die Herstellung zahlreicher Produkte mit wasser- und schmutzabweisenden Eigenschaften verwendet wird. Im Tierversuch führte die wiederholte Gabe von PFOA in Ratten und Mäusen zur Bildung von Lebertumoren. Dies wird auf molekularer Ebene mit einer Aktivierung des Peroxisomen-Proliferator-aktivierenden Rezeptors alpha (PPARα) erklärt. Dieser Mechanismus spielt in der menschlichen Leber eine untergeordnete Rolle, so dass der in Nagern beobachtete lebertoxische Effekt von PFOA als nicht relevant für den Menschen erachtet wird. Im Rahmen dieses Projektes sollte untersucht werden, ob PFOA in humanen Leberzellen neben einer Aktivierung von PPARα weitere Signal- und/oder Stoffwechselwege beeinflusst, und ob diese Effekte ggf. von Interesse für die fortlaufende Bewertung der Toxizität von PFOA sind. Eigene Vorarbeiten hatten bereits gezeigt, dass PFOA die Stabilität und/oder die Aktivität des Hepatozyten-nukleären Faktors 4 alpha (HNF4α) negativ beeinflusst. HNF4α ist ein wichtiger Transkriptionsfaktor in der Leber, der an der Regulation der Leberentwicklung und zahlreicher Stoffwechselwege in der Leber und in weiteren Organen beteiligt ist. Unter Verwendung von Computermodellen konnte gezeigt werden, dass PFOA mit hoher Affinität in einer Bindungstasche von humanem HNF4α binden könnte, die entsprechend der publizierten Kristallstruktur normalerweise durch eine Fettsäure belegt ist. Eine Verdrängung dieser Fettsäure durch PFOA könnte die Ursache für die beobachtete strukturdestabilisierende Wirkung von PFOA auf HNF4α sein. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass PFOA zu einer starken Dephosphorylierung von Ser304 und Ser313 in HNF4α führt. Die Phosphorylierung dieser beiden Serine ist assoziiert mit der Dimerisierung von HNF4α und ist essentiell für die DNA-Bindung und damit für die transkriptionelle Aktivität des Proteins. Weiterführende Untersuchungen konnten jedoch nicht belegen, dass PFOA drastische Auswirkungen auf die Funktionalität von HNF4α hat. So hat HNF4α beispielsweise eine essentielle Funktion bei der Funktionalität von β-Zellen des Pankreas, und PFOA hatte keinen Einfluss auf die durch HNF4α regulierte Insulinsekretion dieser Zellen. Die Ergebnisse dieses Projektes konnten des Weiteren die Daten aus eigenen Vorarbeiten untermauern, die besagen, dass PFOA über die Aktivierung intrazellulärer Signalkaskaden die zelluläre Proliferation stimuliert. Es konnte gezeigt werden, dass PFOA in humanen Hepatozyten über eine Phosphorylierungskaskade über MEK1/2, ERK1/2 und ELK-1 letztendlich zu einer erhöhten Expression des Protoonkogens c-FOS führt. Dies korrelierte mit einer veränderten Expression verschiedener Gene, deren Produkte den Zellzyklus regulieren. In der Gesamtschau belegen die Daten, dass PFOA die Proliferation humaner Hepatozyten stimuliert. Weitere molekulare Untersuchungen konnten zeigen, dass PFOA neben PPARα keine weiteren humanen nukleären Rezeptoren (PPARγ, PPARδ, CAR, PXR, FXR, LXR, RAR, RXR) stimuliert und auch keine nennenswerten Effekte auf die humanen Steroidrezeptoren ERα, ERβ und AR hat. Es wurden auch keine Auswirkungen von PFOA auf die Bildung der Sexualhormone Estradiol, Progesteron und Testosteron beobachtet, so dass die in der Literatur diskutierten endokrinen Wirkungen von PFOA durch unsere in vitro-Untersuchungen nicht untermauert werden konnten. Es konnte jedoch ein starker Einfluss von PFOA auf den Cholesterol-Metabolismus und insbesondere auf die Bildung und die Sekretion verschiedener Gallensäuren beobachtet werden. PFOA führte in humanen Hepatozyten zu einer stark veränderten Expression zahlreicher Gene, deren Produkte an der Synthese, dem Metabolismus und dem Transport von Cholesterol und Gallensäuren beteiligt sind. Darüber hinaus führte PFOA zu einer starken Verbreiterung von Gallengangskanälen. Derartige morphologische Veränderungen werden mit dem Krankheitsbild der Cholestase in Verbindung gebracht. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Ergebnisse dieses Projektes einen tiefen Einblick in die molekularen Mechanismen der Toxizität von PFOA in humanen Leberzellen erlaubt, insbesondere im Hinblick auf die Stabilität und Aktivität von HNF4α, auf die Stimulierung der zellulären Proliferation, auf mögliche endokrine Wirkungen und auf den Cholesterol-Metabolismus. Es muss betont werden, dass alle Effekte erst mit PFOA-Konzentrationen von mindestens 10 µM beobachtet wurden. Diese Konzentrationen sind mindestens um den Faktor 1000 höher als die in der Allgemeinbevölkerung gemessenen Blutserumkonzentrationen von PFOA. Die Ergebnisse unserer in vitro-Untersuchungen lassen damit nicht den Schluss zu, dass PFOA mit Blick auf die reale Exposition von toxikologischer Relevanz für die humane Leber ist, zumindest hinsichtlich der in diesem Projekt untersuchten Endpunkte.
Publications
- Perfluorooctanoic acid (PFOA) affects distinct molecular signalling pathways in human primary hepatocytes. Toxicology. 2015 Jul 3;333:53-62
Buhrke T, Krüger E, Pevny S, Rößler M, Bitter K, Lampen A
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tox.2015.04.004) - Perfluoroalkylated substances (PFAS) affect neither estrogen and androgen receptor activity nor steroidogenesis in human cells in vitro. Toxicol Lett. 2018 Jul;291:51-60
Behr AC, Lichtenstein D, Braeuning A, Lampen A, Buhrke T
(See online at https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2018.03.029) - Activation of human nuclear receptors by perfluoroalkylated substances (PFAS). Toxicol In Vitro. 2020 Feb;62:104700
Behr AC, Plinsch C, Braeuning A, Buhrke T
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tiv.2019.104700)
