カドミウムへの短期暴露がゼブラフィッシュの嗅覚系を破壊する - 嗅覚器官における遺伝子発現の変化と行動障害の関連性

Short exposure to cadmium disrupts the olfactory system of zebrafish (Danio rerio) - Relating altered gene expression in the olfactory organ to behavioral deficits.

• Sina N Volz
• Jonas Hausen
• Milen Nachev
• Richard Ottermanns
• Sabrina Schiwy
• Henner Hollert

抄録

魚類は、採餌や捕食者の回避などの様々な行動が嗅覚系を介して行われるため、嗅覚に強く依存しています。カドミウム（Cd）は、魚類の嗅覚を障害し、嗅上皮（OE）や球根（OB）に蓄積することが知られている。本研究では、ゼブラフィッシュ(Danio rerio)の嗅覚に対するカドミウムの急性毒性を分子レベル及び行動レベルで解析した。本研究では、ゼブラフィッシュの嗅覚に対するカドミウムの急性毒性を分子レベル及び行動レベルで解析するために、定量的リアルタイムPCR法を用いて、嗅覚器官と嗅覚器官の両方で選択された遺伝子の発現を解析した。さらに、ゼブラフィッシュのアラームキューに対する反応を調べた。その結果、カドミウムに 24 時間曝露した後、嗅覚ニューロンに関連する遺伝子の発現が OE で低下した。さらに、抗酸化遺伝子であるペルオキシレドキシン1（prdx1）とヘムオキシゲナーゼ1（hmox1）、メタロチオネイン2遺伝子（mt2）は、カドミウムに曝露した嗅覚ニューロンでは、hmox1とストレス誘導性熱ショックタンパク質70遺伝子（hsp70）の発現が上昇していた。また、ゼブラフィッシュでは、カドミウム濃度の上昇に伴って抗捕食行動が大きく乱れていた。一緒に考えて、Cdはそれによって個体の生存のために重要である反捕食者応答を混乱させ、ゼブラフィッシュの嗅覚を障害した。細胞ストレスに続いて嗅覚ニューロンが破壊されたことが、観察された行動障害の一因であると考えられる。

Fish strongly rely on olfaction as a variety of essential behaviors such as foraging and predator avoidance are mediated by the olfactory system. Cadmium (Cd) is known to impair olfaction and accumulate in the olfactory epithelium (OE) and bulb (OB) of fishes. In the present study, the acute toxicity of Cd on olfaction in zebrafish (Danio rerio) was characterized on the molecular and behavioral level. To this end, quantitative real-time PCR was performed in order to analyze the expression of selected genes in both the OE and OB. Moreover, the response of zebrafish to an alarm cue was investigated. Following 24 h of exposure to Cd, the expression of genes associated with olfactory sensory neurons was reduced in the OE. Furthermore, the antioxidant genes peroxiredoxin 1 (prdx1) and heme oxygenase 1 (hmox1), as well as the metallothionein 2 gene (mt2) were upregulated in the OE, whereas hmox1 and the stress-inducible heat shock protein 70 gene (hsp70) were upregulated in the OB upon exposure to Cd. Following stimulation with a conspecific skin extract, zebrafish displayed a considerable disruption of the antipredator behavior with increasing Cd concentration. Taken together, Cd impaired olfaction in zebrafish, thereby disrupting the antipredator response, which is crucial for the survival of individuals. Cellular stress followed by disruption of olfactory sensory neurons may have contributed to the observed behavioral deficits.

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