The aryl hydrocarbon receptor (AHR) mediates many toxic effects of 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). However, the AHR alone does not explain the widely different outcomes among organisms. To identify the other factors involved, we evaluated three transgenic mouse lines, each expressing a different rat AHR isoform (rWT, DEL, and INS) providing widely different resistance to TCDD toxicity, as well as C57BL/6 and DBA/2 mice which exhibit a similar to tenfold divergence in TCDD sensitivity (exposures of 5-1000 mu g/kg TCDD). We supplement these with whole-genome sequencing, together with transcriptomic and proteomic analyses of the corresponding rat models, Long-Evans (L-E) and Han/Wistar (H/W) rats (having a similar to 1000-fold difference in their TCDD sensitivities; 100 mu g/kg TCDD), to identify genes associated with TCDD-response phenotypes. Overall, we identified up to 50% of genes with altered mRNA abundance following TCDD exposure are associated with a single AHR isoform (33.8%, 11.7%, 5.2% and 0.3% of 3076 genes altered unique to rWT, DEL, C57BL/6 and INS respectively following 1000 mu g/kg TCDD). Hepatic Pxdc1 was significantly repressed in all three TCDD-sensitive animal models (C57BL/6 and rWT mice, and L-E rat) after TCDD exposure. Three genes, including Cxxc5, Sugp1 and Hgfac, demonstrated different AHRE-1 (full) motif occurrences within their promoter regions between rat strains, as well as different patterns of mRNA abundance. Several hepatic proteins showed parallel up- or downward alterations with their RNAs, with three genes (SNRK, IGTP and IMPA2) showing consistent, strain-dependent changes. These data show the value of integrating genomic, transcriptomic and proteomic evidence across multi-species models in toxicologic studies.

The mediator of dioxin toxicity, aryl hydrocarbon receptor (AHR), has also important physiological functions. Selective AHR modulators (SAHRMs) share some effects of dioxins, except for their marked toxicity. We recently characterised toxicologically two novel SAHRMs, prodrugs IMA-08401 and IMA-07101 in rats, demonstrating that they are far less deleterious than the most toxic AHR-agonist, TCDD. Here, we analysed the in vitro toxicity and in silico AHR binding of the respective active, deacetylated metabolites, IMA-06201 (N-ethyl-N-phenyl-5-chloro-1,2-dihydro-4-hydroxy-1-methyl-2-oxo-quinoline-3-carboxamide) and IMA-06504 (N-(4-trifluoromethylphenyl)-1,2-dihydro-4-hydroxy-5-methoxy-1-methyl-2-oxo-quinoline-3-carboxamide). In H4IIE rat hepatoma cells, IMA-06201 and IMA-06504 induced CYP1A1 with comparable potencies and efficacies to those of TCDD. They had little effect on cell viability as assessed by LDH leakage and MTT reduction assays, and were not mutagenic in the Ames test, but IMA-06504 elicited a maximally 2.7-fold increase in micronuclei. Molecular docking simulations showed that similar to TCDD, they occupy the central region of AHR ligand binding cavity. Hence, while showing low to negligible in vitro toxicity, these novel SAHRMs bind to the AHR qualitatively in a similar fashion to TCDD, and appear comparably powerful AHR agonists. Combined with our earlier results demonstrating that they seem considerably less toxic in vivo than TCDD, these compounds are thus highly interesting new SAHRMs.

TCDD on voimakkain dioksiiniryhmän kemikaaleista. Dioksiinit ovat kaikkialla maapallolla esiintyviä ympäristösaasteita, jotka jo pieninäkin annoksina aiheuttavat monia biokemiallisia ja myrkyllisiä vaikutuksia selkärankaisissa. Dioksiinit ovat hyvin rasvaliukoisia, pysyviä ja elimistössä hitaasti hajoavia, minkä vuoksi ne kulkeutuvat elimistössä rasvakudokseen ja kertyvät ravintoketjussa. 1960-1970-luvuilla käytetyissä klooratuissa kemikaaleissa dioksiineja oli paljon epäpuhtauksina. Nykyään tärkeimmät dioksiinilähteet ovat jätteenpoltto ja muut polttoprosessit, metalliteollisuus ja aiemmin dioksiineilla saastuneet alueet. Suomessa dioksiinilla saastuneita alueita ovat erityisesti vanhojen sahanpohjien maaperä sekä Kymijoen pohjasedimentit. Tärkein altistuslähde ihmisellä on ruoka, Suomessa erityisesti Itämeren kala ja maitotuotteet. Koe-eläimillä TCDD on karsinogeeninen, teratogeeninen sekä immunotoksinen ja aiheuttaa akuutisti näivetyssyndrooman, maksavaurioita sekä entsyymi-induktion. Vuosikymmenien tutkimuksista huolimatta TCDD:n varsinainen vaikutusmekanismi on selvittämättä. Useimpien vaikutusten katsotaan välittyvän solulimassa olevan AH-reseptorin kautta. Se säätelee geenien ilmentymistä. Useimpien myrkyllisten vaikutusten mekanismeja ei kuitenkaan juuri tunneta. PPA-reseptorit säätelevät elimistön lipidi- ja glukoosimetaboliaa sekä solujen erilaistumista. Näiden reseptorien ligandeja ovat lukuisat rasvahapot sekä niiden johdannaiset, kuten monet eikosanoidit ja prostaglandiinit. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää TCDD:n vaikutusta annoksella 50 μg/kg maksassa ekspressoituvien PPARα- ja PPARδ-reseptorien ekspressioon kahdessa dioksiiniherkkyydeltään erilaisessa rottakannassa in vivo. Samalla tarkasteltiin TCDD:llä voimakkaasti indusoituvan CYP1A1-entsyymin ekspressiota maksassa. Rottakannat valittiin siten, että niiden välillä oli hyvin suuri ero dioksiiniherkkyydessä. Käytetty TCDD-annos 50 μg/kg oli toiselle rottakannoista letaali ja toiselle subletaali annos. Dioksiinille herkässä rottakannassa vaikutuksia tarkasteltiin lisäksi subletaalilla TCDD-annoksella 5 μg/kg. Tutkittavista maksanäytteistä eristettiin RNA, joka muutettiin käänteiskopioijaentsyymin avulla komplementaariseksi cDNA:ksi käyttäen oligo dT -aluketta. Tämän jälkeen näytteiden sisältämä PPARα-, PPARδ- ja CYP1A1-reseptorien mRNA:n määrä tutkittiin valmistetusta cDNA:sta kvantitatiivisella PCR-menetelmällä käyttäen spesifisiä alukkeita. Mitattu mRNA:n määrä suhteutettiin β-aktiini-proteiinin mRNA:n määrään, jotta RNA:n määrän mittaamisessa ja näytteiden pipetoinnissa syntyneet erot eivät olisi vaikuttaneet saatuihin tuloksiin. TCDD:n havaittiin lisäävän huomattavasti CYP1A1-entsyymin ekspressiota maksassa sekä dioksiinia sietävän kannan että dioksiiniherkän kannan rotilla. Tämä annos on huomattavasti alhaisempi kuin dioksiinia sietävien rottien TCDD:n LD50, mutta selvästi korkeampi kuin dioksiiniherkkien rottien LD50. Tässä tutkimuksessa ei havaittu eroa tutkittavien rottakantojen välillä CYP1A1-entsyymin mRNA:n määrän lisääntymisessä. Dioksiineja sietäviltä rotilta löydetty AH-reseptorin muuttunut alleeli suojaa rottia hyvin kuolleisuudelta. Toisaalta eräissä TCDD:n vaikutuksissa, kuten CYP1A1-entsyymin aktiivisuuden lisääntymisessä ja kateenkorvan surkastumisessa, ei havaita eroa dioksiiniherkkyydeltään erilaisten rottakantojen välillä. Tässä tutkimuksessa kontrollirottien ja TCDD-altistettujen rottien välinen ero CYP1A1-entsyymin mRNA-määrien välillä maksassa oli yli 200 kertainen. CYP1A1-proteiinia koodaavan Cyp1a1-geenin toiminta on AH-reseptorin säätelemää. TCDD on AH-reseptoriin voimakkaimmin sitoutuva tunnettu yhdiste. TCDD-annosten 5 ja 50 μg/kg välillä ei havaittu vaikutusta CYP1A1-entsyymin ekspressiossa dioksiiniherkän-kannan rotilla, mikä on sopusoinnussa aiempien tulosten kanssa, jotka ovat osoittaneet jo annoksen 5 μg/kg aiheuttavan maksimaalisen entsyymi-induktion. Tässä tutkimuksessa PPARα- ja PPARδ-reseptorin ekspressio maksassa ei muuttunut TCDD-altistuksen jälkeen kummallakaan tutkittavista rottakannoista. Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole tarkasteltu TCDD:n vaikutusta PPA-reseptorien ekspressioon in vivo kuten tässä työssä tehtiin. Aikaisemmissa tutkimuksissa saatujen havaintojen perusteella olisi mielenkiintoista tutkia PPA-reseptorien ekspressiota in vivo rasvakudoksessa vastaavalla tavalla kuin tässä tutkimuksessa tutkittiin ekspressiota maksassa. Lisätutkimukset todennäköisesti osoittavatkin, onko TCDD:llä vaikutusta PPA-reseptorien ekspressioon rasvakudoksessa.

2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) is an environmental contaminant that produces myriad toxicities in most mammals. In rodents alone, there is a huge divergence in the toxicological response across species, as well as among different strains within a species. But there are also significant differences between males and females animals of a single strain. These differences are inconsistent across model systems: the severity of toxicity is greater in female rats than males, while male mice and guinea pigs are more sensitive than females. Because the specific events that underlie this difference remain unclear, we characterized the hepatic transcriptional response of adult male and female C57BL/6 mice to 500 mu g/kg TCDD at multiple time-points. The transcriptional profile diverged significantly between the sexes. Female mice demonstrated a large number of altered transcripts as early as 6 h following treatment, suggesting a large primary response. Conversely, male animals showed the greatest TCDD-mediated response 144 h following exposure, potentially implicating significant secondary responses. Nr1i3 was statistically significantly induced at all time-points in the sensitive male animals. This mRNA encodes the constitutive androstane receptor (CAR), a transcription factor involved in the regulation of xenobiotic metabolism, lipid metabolism, cell cycle and apoptosis. Surprisingly though, changes at the protein level (aside from the positive control, CYP1A1) were modest, with only FMO3 showing clear induction, and no genes with sex-differences. Thus, while male and female mice show transcriptional differences in their response to TCDD, their association with TCDD-induced toxicities remains unclear. (C) 2015 The Authors. Published by Elsevier Inc.

TCDD on voimakkain dioksiiniryhmän kemikaaleista. Dioksiinit ovat kaikkialla maapallolla esiintyviä ympäristösaasteita, jotka jo pieninäkin annoksina aiheuttavat monia biokemiallisia ja myrkyllisiä vaikutuksia selkärankaisissa. Dioksiinit ovat hyvin rasvaliukoisia, pysyviä ja elimistössä hitaasti hajoavia, minkä vuoksi ne kulkeutuvat elimistössä rasvakudokseen ja kertyvät ravintoketjussa. 1960-1970-luvuilla käytetyissä klooratuissa kemikaaleissa dioksiineja oli paljon epäpuhtauksina. Nykyään tärkeimmät dioksiinilähteet ovat jätteenpoltto ja muut polttoprosessit, metalliteollisuus ja aiemmin dioksiineilla saastuneet alueet. Suomessa dioksiinilla saastuneita alueita ovat erityisesti vanhojen sahanpohjien maaperä sekä Kymijoen pohjasedimentit. Tärkein altistuslähde ihmisellä on ruoka, Suomessa erityisesti Itämeren kala ja maitotuotteet. Koe-eläimillä TCDD on karsinogeeninen, teratogeeninen sekä immunotoksinen ja aiheuttaa akuutisti näivetyssyndrooman, maksavaurioita sekä entsyymi-induktion. Vuosikymmenien tutkimuksista huolimatta TCDD:n varsinainen vaikutusmekanismi on selvittämättä. Useimpien vaikutusten katsotaan välittyvän solulimassa olevan AH-reseptorin kautta. Se säätelee geenien ilmentymistä. Useimpien myrkyllisten vaikutusten mekanismeja ei kuitenkaan juuri tunneta. PPA-reseptorit säätelevät elimistön lipidi- ja glukoosimetaboliaa sekä solujen erilaistumista. Näiden reseptorien ligandeja ovat lukuisat rasvahapot sekä niiden johdannaiset, kuten monet eikosanoidit ja prostaglandiinit. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää TCDD:n vaikutusta annoksella 50 μg/kg maksassa ekspressoituvien PPARα- ja PPARδ-reseptorien ekspressioon kahdessa dioksiiniherkkyydeltään erilaisessa rottakannassa in vivo. Samalla tarkasteltiin TCDD:llä voimakkaasti indusoituvan CYP1A1-entsyymin ekspressiota maksassa. Rottakannat valittiin siten, että niiden välillä oli hyvin suuri ero dioksiiniherkkyydessä. Käytetty TCDD-annos 50 μg/kg oli toiselle rottakannoista letaali ja toiselle subletaali annos. Dioksiinille herkässä rottakannassa vaikutuksia tarkasteltiin lisäksi subletaalilla TCDD-annoksella 5 μg/kg. Tutkittavista maksanäytteistä eristettiin RNA, joka muutettiin käänteiskopioijaentsyymin avulla komplementaariseksi cDNA:ksi käyttäen oligo dT -aluketta. Tämän jälkeen näytteiden sisältämä PPARα-, PPARδ- ja CYP1A1-reseptorien mRNA:n määrä tutkittiin valmistetusta cDNA:sta kvantitatiivisella PCR-menetelmällä käyttäen spesifisiä alukkeita. Mitattu mRNA:n määrä suhteutettiin β-aktiini-proteiinin mRNA:n määrään, jotta RNA:n määrän mittaamisessa ja näytteiden pipetoinnissa syntyneet erot eivät olisi vaikuttaneet saatuihin tuloksiin. TCDD:n havaittiin lisäävän huomattavasti CYP1A1-entsyymin ekspressiota maksassa sekä dioksiinia sietävän kannan että dioksiiniherkän kannan rotilla. Tämä annos on huomattavasti alhaisempi kuin dioksiinia sietävien rottien TCDD:n LD50, mutta selvästi korkeampi kuin dioksiiniherkkien rottien LD50. Tässä tutkimuksessa ei havaittu eroa tutkittavien rottakantojen välillä CYP1A1-entsyymin mRNA:n määrän lisääntymisessä. Dioksiineja sietäviltä rotilta löydetty AH-reseptorin muuttunut alleeli suojaa rottia hyvin kuolleisuudelta. Toisaalta eräissä TCDD:n vaikutuksissa, kuten CYP1A1-entsyymin aktiivisuuden lisääntymisessä ja kateenkorvan surkastumisessa, ei havaita eroa dioksiiniherkkyydeltään erilaisten rottakantojen välillä. Tässä tutkimuksessa kontrollirottien ja TCDD-altistettujen rottien välinen ero CYP1A1-entsyymin mRNA-määrien välillä maksassa oli yli 200 kertainen. CYP1A1-proteiinia koodaavan Cyp1a1-geenin toiminta on AH-reseptorin säätelemää. TCDD on AH-reseptoriin voimakkaimmin sitoutuva tunnettu yhdiste. TCDD-annosten 5 ja 50 μg/kg välillä ei havaittu vaikutusta CYP1A1-entsyymin ekspressiossa dioksiiniherkän-kannan rotilla, mikä on sopusoinnussa aiempien tulosten kanssa, jotka ovat osoittaneet jo annoksen 5 μg/kg aiheuttavan maksimaalisen entsyymi-induktion. Tässä tutkimuksessa PPARα- ja PPARδ-reseptorin ekspressio maksassa ei muuttunut TCDD-altistuksen jälkeen kummallakaan tutkittavista rottakannoista. Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole tarkasteltu TCDD:n vaikutusta PPA-reseptorien ekspressioon in vivo kuten tässä työssä tehtiin. Aikaisemmissa tutkimuksissa saatujen havaintojen perusteella olisi mielenkiintoista tutkia PPA-reseptorien ekspressiota in vivo rasvakudoksessa vastaavalla tavalla kuin tässä tutkimuksessa tutkittiin ekspressiota maksassa. Lisätutkimukset todennäköisesti osoittavatkin, onko TCDD:llä vaikutusta PPA-reseptorien ekspressioon rasvakudoksessa.

In some mammals, halogenated aromatic hydrocarbon (HAH) exposure causes wasting syndrome, defined as significant weight loss associated with lethal outcomes. The most potent HAH in causing wasting is 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-rho-dioxin (TCDD), which exerts its toxic effects through the aryl hydrocarbon receptor (AHR). Since TCDD toxicity is thought to predominantly arise from dysregulation of AHR-transcribed genes, it was hypothesized that wasting syndrome is a result of to TCDD-induced dysregulation of genes involved in regulation of food-intake. As the hypothalamus is the central nervous systems' regulatory center for food-intake and energy balance. Therefore, mRNA abundances in hypothalamic tissue from two rat strains with widely differing sensitivities to TCDD-induced wasting syndrome: TCDD-sensitive Long-Evans rats and TCDD-resistant Han/Wistar rats, 23 h after exposure to TCDD (100 mu g/kg) or corn oil vehicle. TCDD exposure caused minimal transcriptional dysregulation in the hypothalamus, with only 6 genes significantly altered in Long-Evans rats and 15 genes in Han/Wistar rats. Two of the most dysregulated genes were Cyp1a1 and Nqo1, which are induced by TCDD across a wide range of tissues and are considered sensitive markers of TCDD exposure. The minimal response of the hypothalamic transcriptome to a lethal dose of TCDD at an early time-point suggests that the hypothalamus is not the predominant site of initial events leading to hypophagia and associated wasting. TCDD may affect feeding behaviour via events upstream or downstream of the hypothalamus, and further work is required to evaluate this at the level of individual hypothalamic nuclei and subregions. (C) 2014 The Authors. Published by Elsevier Ireland Ltd.

IMA-08401 (C2) is a novel aryl hydrocarbon receptor (AHR) agonist and selective AHR modulator (SAHRM) that is structurally similar to laquinimod (LAQ). Both compounds are converted to the AHR-active metabolite DELAQ (IMA-06201) in vivo. SAHRMs have been proposed as therapeutic options for various autoimmune disorders. Clinical trials on LAQ have not reported any significant toxic outcomes and C2 has shown low toxicity in rats; however, their functional resemblance to the highly toxic AHR agonist 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) raises questions. Here, we characterize the hepatic transcriptomic changes induced by acute (single-dose) and subacute exposure (repeated dosing for 5 days followed by a 5-day recovery period) to C2 in Sprague-Dawley rats. Exposure to C2 leads to activation of the AHR, as shown by altered transcription of Cyp1a1. We identify a heightened response early after exposure that drops off by day 10. Acute exposure to C2 leads to changes to transcription of genes involved in antiviral and antibacterial responses, which highlights the immunomodulator effects of this AHR agonist. Subacute exposure causes an oxidative stress response in the liver, the consequences of which require further study on target tissues such as the CNS and immune system, both of which may be compromised in this patient population.