Modern views on the mechanism of the toxic action of dioxins and their hygienic rationing

Cover Page
Open Access Open Access
Restricted Access Subscription Access

Abstract


Objective: to assess the genetic and epigenetic predisposing factors for dioxin disease in order to substantiate the mechanism of its development and biomonitoring.

Material and methods. Search was made for polymorphisms of human genes and human epigenome causing reduction of human defense mechanisms in contact with dioxins.

Results. The sensitivity to dioxins may be influenced by target gene polymorphisms, epigenetic modifications, features of non-genomic transgeneration inheritance. Changes in gene expression can occur due to the direct interaction of dioxins with the АhR receptor and the mechanism of cascade regulation through the chain of interacting genes. Along with conventional methods, examination of persons in contact with them, it is advisable to use genetic indicators of individual predisposition to their action (polymorphisms of AhR, CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, GST, and UGT genes, chromosomal aberrations).

Testing methods for detecting mutations in MTHFR genes, cytokines, oncogenes, epigenetic markers of damage, proceeding with search for new markers of exposure (metabolites, dioxins adducts in biological substrates) and sensitivity (geno- and phenotype), as well as detecting difficultly diagnosed prenosological changes and early manifestations of long-term effects of dioxins on the human body, especially low-level exposure, are required.

Conclusion. Dioxins have a modifying effect on the pheno- and genotype of affected people and future generations. It is advisable to search for, develop, and implement molecular diagnostic methods (including genetic and epigenetic) to identify their effects on human health.


Genrikh A. Sofronov

Institute of Experimental Medicine; S.M. Kirov Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: gasofronov@mail.ru

Russian Federation, Saint Petersburg

MD, PhD, Professor Academician of the Russian Academy of Science, Head; Head of Laboratory Medicamental and Ecological Toxicology

Vladimir R. Rembovskiy

Scientific Research Institute of Hydgiene, Occupational Pathology and Human Ecology FMBA Russia

Email: niigpech@rihophe.ru

Russian Federation, Leningrad Region

Doctor of Medical Sciences, Professor, Scientific Director

Andrey S. Radilov

Scientific Research Institute of Hydgiene, Occupational Pathology and Human Ecology FMBA Russia

Email: radilov@rihophe.ru

Russian Federation, Leningrad Region

Doctor of Medical Sciences, Professor, Acting Director

Lyubov A. Mogilenkova

Scientific Research Institute of Hydgiene, Occupational Pathology and Human Ecology FMBA Russia

Email: gpech@fmbamail.ru

Russian Federation, Leningrad Region

Doctor of Medical Sciences, Leading Researcher

  1. Федоров Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы. – М., 1993. – 266 с. [Fedorov LA. Dioksiny kak ekologicheskaya opasnost’: retrospektiva i perspektivy. Moscow; 1993. 266 p. (In Russ.)]
  2. Диоксины — супертоксиканты XXI века. Медико-биологические проблемы. Информационный выпуск № 4 / Под ред. Ю.М. Арского. – М.: ВИНИТИ, 1998. – 111 с. [Dioksiny — supertoksikanty XXI veka. Mediko-biologicheskie problemy. Informatsionnyy vypusk No. 4. Ed. by Y.M. Arskiy. Moscow: VINITI; 1998. 111 p. (In Russ.)]
  3. Киселев А.В., Худолей В.В. Отравленные города. – M.: Greenpeace, 1997. [Kiselev AV, Khudoley VV. Otravlennye goroda. Moscow: Greenpeace; 1997. (In Russ.)]
  4. crowngold.narod.ru [интернет]. Милош В.В. Диоксины и их потенциальная опасность в экосистеме «человек — окружающая среда» [доступ от 24.04.2019]. Доступно по ссылке: crowngold.narod.ru/articles/dioxini.htm. [crowngold.narod.ru [Internet]. Milosh VV. Dioksiny i ikh potentsial’naya opasnost’ v ekosisteme “chelovek — okruzhayushchaya sreda” [cited 2019 Apr 24]. Available from: crowngold.narod.ru/articles/dioxini.htm. (In Russ.)]
  5. Рембовский В.Р., Кречетов С.П., Геращенко В.М. Патобиохимический механизм токсического действия 2,3,7,8 тетрахлордибензо-n-диоксина (ТХДД) // Доклады Академии военных наук. Серия «Прикладные проблемы уничтожения запасов химического оружия и военной экологии». – 2000. – № 6. – С. 149–162. [Rembovskiy VR, Krechetov SP, Gerashchenko VM. Patobiokhimicheskiy mekhanizm toksicheskogo deystviya 2,3,7,8 tetrakhlordibenzo-n-dioksina (TkhDD). Doklady Akademii voennykh nauk. Seriya “Prikladnye problemy unichtozheniya zapasov khimicheskogo oruzhiya i voennoy ekologii”. 2000;(6):149-162. (In Russ.)]
  6. Ревич Б.А., Шелепчиков А.А. Здоровье населения и загрязнение окружающей среды стойкими органическими загрязнителями // Гигиена и санитария. – 2008. – № 4. – С. 26–32. [Revich BA, Shelepchikov AA. Zdorov’e naseleniya i zagryaznenie okruzhayushchey sredy stoykimi organicheskimi zagryaznitelyami. Gig Sanit. 2008;(4):26-32. (In Russ.)]
  7. Сергеев О.В., Ревич Б.А., Зейлерт В.Ю., Хаузер Р. 10-летний опыт эпидемиологических исследований в Чапаевске, население которого испытывает диоксиновое воздействие в течение 40 лет // Материалы 2-й Всероссийской конференции по проблемам диоксинов. – Уфа, 2004. – С. 263-265. [Sergeev OV, Revich BA, Zeilert VYu, Hauser R. 10 years of experience in epidemiological studies in Chapayevsk, whose population has been exposed to dioxin exposure for 40 years // Proceedings of the 2nd All-Russian Conference on dioxin problems. Ufa, 2004: 263-265. (In Russ.)]
  8. Голиков С.Н., Румак В.С., Сафронов Г.А., Умнова Н.В. Отдаленные эколого-генетические последствия воздействия диоксинсодержащих экотоксикантов // Вестник Российской академии медицинских наук. – 1998. – № 1. – С. 42–50. [Golikov SN, Rumak VS, Safronov GA, Umnova NV. Otdalennye ekologo-geneticheskie posledstviya vozdeystviya dioksinsoderzhashchikh ekotoksikantov. Vestn Ross Akad Med Nauk. 1998;(1):42-50. (In Russ.)]
  9. Румак В.С., Умнова Н.В., Софронов Г.А., и др. Молекулярные и клеточные аспекты токсичности диоксинов // Вестник Российской академии медицинских наук. – 2014. – Т. 69. – № 3–4. – С. 77–84. [Rumak VS, Umnova NV, Sofronov GA, et al. Molecular and cellular aspects of dioxin toxicity. Vestn Ross Akad Med Nauk. 2014;69(3-4):77-84. (In Russ.)]
  10. McLachlan MS. Bioaccumulation of hydrophobic chemicals in agricultural food chains. Environ Sci Technol. 1996;30(1):252-259. https://doi.org/10.1021/es9502738.
  11. Баранов В.С., Баранова Е.В., Иващенко Т.Э., Асеев М.В. Геном человека и гены «предрасположенности». Введение в предиктивную медицину. – СПб.: Интермедика, 2000. – 272 с. [Baranov VS, Baranova EV, Ivashchenko TE, Aseev MV. Genom cheloveka i geny “predraspolozhennosti”. Vvedenie v prediktivnuyu meditsinu. Saint Petersburg: Intermedika; 2000. 272 p. (In Russ.)]
  12. Черняк Ю.И., Шелепчиков А.А., Грассман Д.А. Модификация диоксин-сигнального пути у высокоэкспонированных пожарных // Acta biomedica scientifica. – 2007. – № 2. – С. 65–71. [Chernyak YI, Shelepchikov AA, Grassman DA. Modification of the dioxin signaling pathway in highly exposed firefighters. Acta biomedica scientifica. 2007;(2):65-71. (In Russ.)]
  13. Рембовский В.Р., Могиленкова Л.А. Процессы детоксикации при воздействии химических веществ на организм. – СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2017. – 383 с. [Rembovskiy VR, Mogilenkova LA. Protsessy detoksikatsii pri vozdeystvii khimicheskikh veshchestv na organizm. Saint Petersburg: Izdatelstvo Politekhnicheskogo universiteta; 2017. 383 p. (In Russ.)]
  14. Паткин Е.Л., Софронов Г.А. Эпигенетика популяций, экотоксикогенетика и болезни человека // Экологическая генетика. – 2012. – Т. 10. – № 4. – С. 14–28. [Patkin EL, Sofronov GA. Population epigenetics, ecotoxicology and human diseases. Ekol Genet. 2012;10(4):14-28. (In Russ.)]
  15. Шалгинских Н.А., Карпеченко Н.Ю., Оглоблина А.М., и др. Эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов в химическом канцерогенезе // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. – 2014. – № 3. – С. 46–64. [Shalginskikh NA, Karpechenko NY, Ogloblina AM, et al. Epigenetic regulation of gene expression in chemical carcinogenesis. Problems of biological, medical, and pharmaceutical chemistry. 2014;(3):46-64. (In Russ.)]
  16. Шапошников М.В., Плюсина Е.Н., Плюсин С.Н., и др. Анализ экспрессии генов как метод детектирования малых доз ионизирующих излучений, формальдегида и диоксинов // Теоретическая и прикладная экология. – 2013. – № 2. – С. 25–33. [Shaposhnikov MV, Plyusina EN, Plyusin SN, et al. Analysis of gene expression as a method of detecting ionizing radiation, formaldehyde and dioxins low doses. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya. 2013;(2):25-33. (In Russ.)]
  17. Башарова Г.Р., Карамова Л.М. Диоксины и здоровье // Медицина труда и экология человека. – 2015. – № 4. – С. 58–63. [Basharova GR, Karamova LM. Dioxins and health. Meditsina truda i ekologiya cheloveka. 2015;(4):58-63. (In Russ.)]
  18. Епифанцев А.В. Диоксины и здоровье населения // Современные проблемы токсикологии. – 2006. – № 1. – С. 14–26. [Epifantsev AV. Dioksiny i zdorov’e naseleniya. Modern problems of toxicology. 2006;(1):14-26. (In Russ.)]
  19. Никитин А.И. Гормоноподобные загрязнители биосферы и их влияние на репродуктивную функцию человека // Экология человека. – 2006. – № 2. – С. 17–23. [Nikitin AI. Hormone-like xenobiotics and their role in pathology of human reproductive function. Ecology, human. 2006;(1):14-26. (In Russ.)]
  20. Черняк Ю.И., Грассман Д.А., Шелепчиков A.A. Маркеры воздействия и эффекта диоксинов у пожарных, участвовавших в ликвидации пожара на АО «Иркутсккабель» // Медицина труда и промышленная экология. – 2005. – № 12. – С. 41–46. [Chernyak YI, Grassman DA, Shelepchikov AA. Markers of impact and effесts of dioxines in firemen who participated in fire extinguishing at “Irkutskcabеl” plant. Med Tr Prom Ekol. 2005;(12):41-46. (In Russ.)]
  21. Цырлов И.Б. Хлорированные диоксины: биологические и медицинские аспекты. Аналитический обзор. – Новосибирск, 1990. – 203 с. [Tsyrlov IB. Khlorirovannye dioksiny: biologicheskie i meditsinskie aspekty. Analiticheskiy obzor. Novosibirsk; 1990. 203 p. (In Russ.)]
  22. Румак В.С., Умнова Н.В., Софронов Г.А., Павлов Д.С. Молекулярная токсикология диоксинов. – СПб.: Наука, 2013. – 63 с. [Rumak VS, Umnova NV, Sofronov GA, Pavlov DS. Molekulyarnaya toksikologiya dioksinov. Saint Petersburg: Nauka; 2013. 63 p. (In Russ.)]
  23. Галимов Ш.Н., Абдуллина А.З., Кидрасова Р.С., Галимова Э.Ф. Содержание диоксинов и состояние системы глутатиона в эякуляте при мужском бесплодии // Казанский медицинский журнал. – 2013. – Т. 94. – № 5. – С. 658–661. [Galimov SN, Abdullina AZ, Kidrasova RS, Galimova EF. Level of dioxins and glutathione system status in semen of male patients with infertility. Kazan Med Zh. 2013;94(5):658-661. (In Russ.)]
  24. Галимов Ш.Н., Валеева Х.Г., Камилов Ф.Х., и др. Репродуктивное здоровье мужчины как индикатор экологического неблагополучия // Лечение бесплодия: нерешенные проблемы. Сборник научных трудов VII конференции Российской ассоциации репродукции человека. – Саратов, 2001. – С. 15–16. [Galimov SN, Valeeva KG, Kamilov FK, et al. Reproduktivnoe zdorov’e muzhchiny kak indikator ekologicheskogo neblagopoluchiya. In: Lechenie besplodiya: nereshennye problemy. Sbornik nauchnykh trudov VII konferentsii Rossiyskoy assotsiatsii reproduktsii cheloveka. Saratov; 2001. P. 15-16. (In Russ.)]
  25. Колесов В.Г., Бодиенкова Г.М., Бенеманский В.В., и др. Диагностика и медицинская реабилитация в отдаленном периоде профессиональной нейроинтоксикации у пожарных: Пособие для врачей. – Иркутск: РИО ИГИУВа, 2004. – 36 с. [Kolesov VG, Bodienkova GM, Benemanskiy VV, et al. Diagnostika i meditsinskaya reabilitatsiya v otdalennom periode professional’noy neyrointoksikatsii u pozharnykh. Posobie dlya vrachey. Irkutsk: RIO IGIUVa; 2004. 36 p. (In Russ.)]
  26. Карамова Л.М., Башарова Г.Р. Диоксины и онкопатология // Уральский медицинский журнал. – 2008. – № 11. – С. 63–65. [Karamova LM, Basharova GR. Dioksiny i onkopatologiya. Ural’skiy meditsinskiy zhurnal. 2008;(11):63-65. (In Russ.)]
  27. Будников Г.К. Диоксины и родственные соединения как экотоксиканты // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – Т. 3. – № 26. – С. 38–44. [Budnikov GK. Dioksiny i rodstvennye soedineniya kak ekotoksikanty. Sorosovskiy obrazovatel’nyy zhurnal. 1997;3(26):38-44. (In Russ.)]
  28. Софронов Г.А., Румак В.С., Умнова Н.В., и др. Возможные риски хронического воздействия малых доз диоксинов для здоровья населения: к методологии выявления токсических эффектов // Медицинский академический журнал. – 2016. – № 3. – С. 7–18. [Sofronov GA, Rumak VS, Umnova NV, et al. Chronicle exposure to low concentrations of dioxins and possible risks for human health: some aspects of toxic effects revealing. Med Acad J. 2016;(3):7-18. (In Russ.)]
  29. Smart J, Daly AK. Variation in induced CYP1A1 levels: relationship to CYP1A1, Ah receptor and GSTM1 polymorphisms. Pharmacogenetics. 2000;10(1):11-24.
  30. Vogel CF, Sciullo E, Matsumura F. Involvement of RelB in aryl hydrocarbon receptor-mediated induction of chemokines. Biochem Biophys Res Commun. 2007;363(3):722-726. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2007.09.032.
  31. Whitlock JP, Jr. Induction of cytochrome P4501A1. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 1999;39:103-125. https://doi.org/10.1146/annurev.pharmtox.39.1.103.
  32. Boutros PC, Moffat ID, Franc MA, et al. Dioxin-responsive AHRE-II gene battery: identification by phylogenetic footprinting. Biochem Biophys Res Commun. 2004;321(3):707-715. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2004.06.177.
  33. Bobilev I, Novik V, Levi I, et al. The Nrf2 transcription factor is a positive regulator of myeloid differentiation of acute myeloid leukemia cells. Cancer Biol Ther. 2011;11(3):317-329. https://doi.org/10.4161/cbt.11.3.14098.
  34. Зенков Н.К., Колпаков А.Р., Меньщикова Е.Б. Редокс-чувствительная система Keap1/Nrf2/ARE как фармакологическая мишень при сердечно-сосудистой патологии // Сибирский научно-медицинский журнал. – 2015. – Т. 35. – № 5. – С. 5–25. [Zenkov NK, Kolpakov AR, Men’shchikova EB. Keap1/Nrf2/ARE redox-sensitive system as a phagmacological target in cardiovascular diseases. Siberian scientific medical journal. 2015;35(5):5-25. (In Russ.)]
  35. Ingelman-Sundberg M, Oscarson M, McLellan RA. Polymorphic human cytochrome P450 enzymes: an opportunity for individualized drug treatment. Trends Pharmacol Sci. 1999;20(8):342-349. https://doi.org/10.1016/S0165-6147(99)01363-2.
  36. Ощепков Д.Ю., Кашина Е.В., Антонцева Е.В., и др. Динамика экспрессии цитокина IL-12 в макрофагах человека после их обработки диоксином // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2014. – Т. 18. – № 2. – С. 354–362. [Oshchepkov DY, Kashina EV, Antontseva EV, et al. Dynamics of il12 cytokine expression in human macrophages after treatment with dioxin. Vavilovskii Zhurnal Genet Selektsii. 2014;18(2):354-362. (In Russ.)]
  37. Nebert DW, Puga A, Vasiliou V. Role of the Ah receptor and the dioxin-inducible [Ah] gene battery in toxicity, cancer, and signal transduction. Ann N Y Acad Sci. 1993;685:624-640. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1993.tb35928.x.
  38. Булгакова И.В. Вовлеченность полиморфизма генов сигнального каскада арилкарбонового рецептора и биотрансформации ксенобиотиков в развитии гипертонической болезни и ее осложнений: Автореф. дис. … канд. мед. наук. – Белгород, 2014. [Bulgakova IV. Vovlechennost’ polimorfizma genov signal’nogo kaskada arilkarbonovogo retseptora i biotransformatsii ksenobiotikov v razvitii gipertonicheskoy bolezni i ee oslozhnentiy. [dissertation] Belgorod; 2014. (In Russ.)]
  39. Дмитриева А.И., Серебрякова В.А., Кузнецова И.А., и др. Особенности распределения полиморфных вариантов генов Bax G248A и Bcl-2 C938A у больных раком легкого с разными клиническими характеристиками опухолевого процесса // Вестник РОНЦ им. Н. Н. Блохина РАМН. – 2015. – Т. 26. – № 2. – С. 45–48. [Dmitrieva AI, Serebryakova VA, Kuznetsova IA, et al. Distributionpecularities of polymorphic variants of baxg248aand bcl-2 c938a genesamong patiens with lung cancer and diferent clinical features of the tumor process. Herald of N.N. Blokhin Cancer Research Center RAMS. 2015;26(2):45-48. (In Russ.)]
  40. Коломиец А.Ф. Полихлорполициклические ксенобиотики // Успехи химии. – 1991. – Т. 60. – № 3. – С. 536–544. [Kolomiets AF. Polikhlorpolitsiklicheskie ksenobiotiki. Usp Khim. 1991;60(3):536-544. (In Russ.)]
  41. Ярош С.Л. Роль генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков в формировании предрасположенности к мужскому бесплодию: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. – М., 2010. [Yarosh SL. Rol’ genov fermentov biotransformatsii ksenobiotikov v formirovanii predraspolozhennosti k muzhskomu besplodiyu. [dissertation] Moscow; 2010. (In Russ.)]
  42. Furman DP, Oshchepkova EA, Oshchepkov DY, et al. Promoters of the genes encoding the transcription factors regulating the cytokine gene expression in macrophages contain putative binding sites for aryl hydrocarbon receptor. Comput Biol Chem. 2009;33(6):465-468. https://doi.org/10.1016/j.compbiolchem.2009.10.004.
  43. Yoo CG, Lee S, Lee CT, et al. Anti-Inflammatory effect of heat shock protein induction is related to stabilization of I B through preventing I B kinase activation in respiratory epithelial cells. J Immunol. 2000;164(10):5416-5423. https://doi.org/10.4049/jimmunol.164.10.5416.
  44. Омельчук С.Т., Великая Н.В., Залесский В.Н. Механизмы детоксикации ксенобиотиков: поддержка баланса детоксикации компонентами продуктов питания растительного происхождения // Проблеми харчування. – 2015. – № 1. – С. 23–37. [Omel’chuk ST, Velikaya NV, Zalesskiy VN. Mekhanizmy detoksikatsii ksenobiotikov: podderzhka balansa detoksikatsii komponentami produktov pitaniya rastitel’nogo proiskhozhdeniya. Problemi kharchuvannya. 2015;(1):23-37. (In Russ.)]
  45. Ших Е.В., Махова А.А. Преимущества проведения коррекции фолатного статуса с использованием витаминно-минерального комплекса, содержащего метафолин // Трудный пациент. – 2013. – Т. 11. – № 8-9. – С. 26–31. [Shikh EV, Makhova AA. Benefits of folate status correction using metafolin-contained vitamin-mineral complex. Trudnyy patsient. 2013;11(8-9):26-31. (In Russ.)]
  46. Астафьева Л.С. Предельно допустимые концентрации диоксинов в природных объектах и пищевых продуктах. – М.: Экологическая химия, 2006. [Astaf’eva LS. Predel’no dopustimye kontsentratsii dioksinov v prirodnykh ob”ektakh i pishchevykh produktakh. Moscow: Ekologicheskaya khimiya; 2006. (In Russ.)]
  47. Nelson DR, Koymans L, Kamataki T, et al. P450 superfamily: update on new sequences, gene mapping, accession numbers and nomenclature. Pharmacogenetics. 1996;6(1):1-42.

Views

Abstract - 44

PDF (Russian) - 0

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Sofronov G.A., Rembovskiy V.R., Radilov A.S., Mogilenkova L.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.