Umwelttoxikologie im Spannungsfeld zwischen Grundlagenforschung und Anwendung: Das Beispiel der Metallothioneine als Biomarker

Zusammenfassung

Hintergrund

Eines der zentralen Anliegen der Umwelttoxikologie ist die Entwicklung und Verfeinerung von Methoden und Ansätzen, die geeignet sind, die bestehende Artenvielfalt vor der Einwirkung toxischer Substanzen zu schützen. Eine immanente Schwierigkeit, der wir dabei auf Schritt und Tritt begegnen, ist die Tatsache, dass sich definierte toxische Effekte, die auf sub-individueller, individueller und artspezifischer Ebene beobachtbar sind, auf dem Niveau von Populationen oder Lebensgemeinschaften viel unspezifischer manifestieren. Daher sind wir bei der Interpretation solcher Veränderungen auf Hinweise angewiesen, die uns zu den basalen Mechanismen toxikologischer Wechselwirkungen führen. Nur dann, wenn wir diese Mechanismen auch verstehen, werden wir in der Lage sein, Arten; Populationen und Lebensgemeinschaften vor Schadstoff-Einwirkungen bestmöglich zu schützen. Ein gutes Beispiel für diesen Denkansatz sind jene toxikologischen Wechselwirkungen und Effekte auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation, die mit der Expression von Metallothioneinen (MTs) einhergehen. MTs sind bekanntlich muttifunktionale Stressproteine, denen eine wichtige Aufgabe bei der Bindung, Entgiftung und Speicherung von metallischen Spurenelementen im allgemeinen zugeschrieben wird, deren Aufgaben im einzelnen jedoch intraund interspezifisch in einem breiten Funktions-Spektrum vari-ieren und weit über eine bloße Metall-Entgiftung hinausreichen können. Der Einsatz von MTs als Biomarker für Metallexpositionen ist vor diesem Hintergrund daher zwar ein brauchbarer und vielversprechender, jedoch keinesfalls trivialer Ansatz.

Bisherige Ergebnisse: Spezifität der MT-Antwort auf Proteinebene

Die Erfassung und Quantifizierung von MTs als Antwort auf Metallstress ist in all jenen Fällen und bei Arten angebracht, in denen die Induktion von MTs aufgrund von Metallbelastung gegenüber anderen Induktionsursachen beträchtlich überwiegt. Als Induktor unter den Metallen kommt gelegentlich nur eine Metallspecies (z.B. Cd²⁺) in Frage, sodass in einem solchen Fall die MT-Induktion als spezifischer Biomarker für die Belastung eines Habitats mit dem entsprechenden Metall herangezogen werden kann. Dies ist beispielsweise bei MTs bestimmer Helicidenarten der Fall. Bei den meisten Tierarten, wie z.B. bei Drosophila melanogaster oder bei zahlreichen Fischarten, kommen mehrere Metallspecies (Cd²⁺, Cu⁺, Zn²⁺) als MT-Induktoren in Frage, und dementsprechend komplexer ist die Induktions-Antwort. Zu beachten ist ferner, dass sich unterschiedliche MT-Isoformen in ihrer Induzierbarkeit durch verschiedene Metall-Species stark voneinander unterscheiden können. Komplizierter wird die Lage, wenn MTs nicht nur durch Metalle, sondern in signifikantem Ausmaß auch (oder ausschließlich) durch intrinsische Faktoren (z.B. die Gonaden-Reifung) oder durch andere, extrinsische Stressfaktoren induziert werden. Als solche kommen z.B. Schadstoffe in Frage, die oxidativen Stress auslösen. Da die Induktion in derartigen Fällen über komplizierte Induktionskaskaden ausgelöst wird, kann sich die entsprechende Induktionsantwort auch in ihrem zeitlichen Muster beträchtlich von einer Metall-bedingten Induktion unterschelden.

Molekulare Regulation der MT-Induktion

Völlig neue Aspekte ergeben sich dank molekularer Methoden und einer molekularen Betrachtungsweise der MT-Induktion. So zeigt sich, dass manche MT-Isoformen (z.B. bei der Weinbergschnecke) auf molekularer Ebene um mehr als das Hundertfache stärker induziert werden können als auf Proteinebene. Dabei kann z.B. die Transkriptionsrate anhand der Akkumulation von MT-mRNA mittels Real-Time-Detection-PCR quantitativ erfasst werden. Eine detaillierte Analyse zeigt darüber hinaus, dass manche MT-Gene eine Fülle von Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren zahlreicher anderer (also nicht nur Metallothionein-spezifischer) Stressproteine, sowie für Transkriptions-Enhancer, —Inhibitoren und —Silencer beherbergen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die MT-Expression in vivo einer fein regulierbaren Abstimmung mit zahlreichen intrinsischen und extrinsischen Modulatoren, Induktoren und Stressoren unterliegt (‘fine tuning’ und ‘cross talk’).

Neue Ansätze für die entwicklung von Biomarkern

In den meisten bisherigen Anwendungen konnte der Anstieg (oder der Abfall) der MT-Konzentration einer Tierart nach Metall-Exposition oder bei Einwirkung anderer Stressoren als Biomarker für diese Exposition herangezogen und quantitativ erfasst werden. Dabei blieb es mitunter fraglich, inwieweit die so beobachtete Biomarker-Antwort nich durch andere, physiologische oder extrinsische Faktoren (sogenannte ‘confounding factors’) mit beeinflusst bzw. moduliert wird. Die Verlagerung des Ansatzes auf die molekulare Ebene eröffnet allerdings nunmehr neue und vielversprechende Perspektiven zur Erfassung und Entwicklung zusätzlicher und wahrscheinlich viel empfindlicherer Biomarker für die Stress-Exposition, als sie bisher auf Protein-Ebene zur Verfügung standen.

Schlussfolgerungen

Eine der Konsequenzen dieser Betrachtungen ist sicherlich auch die Einsicht, dass biologische Grundlagenforschung und angewandte Umwelttoxikologie sinnvoller Weise nicht voneinander zu trennen sind. Das Bemühen um ein tieferes Verständnis toxikologischer Wechselwirkungen auf individueller und subindividueller Ebene ist für den angewandten Artenschutz auf Dauer nicht nur befruchtend, sondern unentbehrlich.

Abstract

Background

Ecotoxicology is devoted, besides other scopes, to develop and improve methods and approaches which aim at saving existent species from adverse effects of toxic chemicals. An inherent experience in this concern is the fact that distinct toxicological effects which can be observed at the sub-individual, individual and species-specific levels are manifested in a rather unspecific way at the population and community levels. The interpretation of adverse effects of pollution at these higher levels of biological hierarchy has to rely on those basic mechanisms of toxicological interactions which can only be observed at the individual and sub-individual levels of biological organization. Hence, understanding mechanisms of toxicity is just a precondition of successfully saving species, populations and communities from adverse toxicological effects. Nice examples for this kind of view are provided by the toxicological interactions and effects that are linked to the expression of metallothioniens (MTs). MTs are multifunctional stress proteins which play an important role in binding, detoxifying and storing certain metallic trace elements, and which exhibit, apart from metal-related tasks, a wide range of additional functions. Using MTs as biomarkers for environmental pollution seems therefore to be a promising, yet not very trivial, task.

Specificity of the MT response at the protein level

Assessment and quantification of MTs as a means of detection of metal stress may be promising in those cases and in species, where MT induction due to metal exposure strongly prevails over other kinds of induction. Rarely, one single metal species (such as Cd²⁺) can act as an MT inducer. If so, MT induction may serve as a specific biomarker for exposure of a single species or a habitat to the respective metal. This is true, for example, for MTs of certain helicid pulmonate snails. In most animals, however, such as in Drosophila melanogaster or in many fish species, several metals (Cd²⁺, Zn²⁺, Cu⁺) are able to induce MT expression, thus leading to correspondingly complex response patterns of MT induction. In addition, different MT isoforms within one animal species may differ with respect to their metal inducibility. Even more complicated are those response patterns where MT induction can occur, apart from metals, by intrinsic physiological processes (such as gonadal development), or by extrinsic environmental stress factors such as chemicals causing oxidative stress. In such instances, MT induction can be promoted through complicated signal cascades, leading to induction response patterns which may differ in their time course from a simple metal-based induction.

Molecular regulation of MT induction

New insight into the mechanisms of MT induction comes from a molecular approach. In fact, at the molecular level, some MT isoforms (such as those of the Roman snail) seem to be induced up to hundred times more efficiently compared to MT induction at the protein level. In such cases we may measure MT transcription rates by quantifying MT mRNA concentrations by means of real time detection PCR. A detailed structural analysis shows that some MT genes contain a variety of DNA binding sites for transcription factors which are involved, apart from metal induction, in stress-related transcriptional regulation, by acting as enhancers, inhibitors and silencers of MT induction. This indicates that MT expression in vivo may be controlled by complex interactions of extrinsic and intrinsic transcriptional modulators, giving rise to fine-tuned patterns of induction (‘fine tuning’ and ‘cross talk’).

New approaches for the development of novel biomarkers

Up to date, MT response patterns to stressors have mainly been detected by quantifying the increase or decrease of MT concentration as a biomarker for metal pollution or exposure to other stressors. One of the problems inherent in such an approach may be that sometimes it remains questionable, whether or not the observed biomarker response might have been influenced or modulated, apart from specific stressors, by additional physiological or environmental (so-called ‘confounding’) factors and stimuli. In this concern, the increasing significance of a molecular perspective to MT induction will be promising, allowing to establish additional and perhaps, more sensitive MT-related biomarkers, compared to those used so far at the protein level.

Conclusion

One of the important messages of such considerations will be the understanding that applied ecotoxicology needs, in order to be persistent, a strong link to fundamental research. This means that our attempts towards conservation and saving of species from pollution effects will only be successful, if we include in our efforts the focus at the basic mechanisms of toxic interactions which occur at the individual and sub-individual levels.