Sublinear response in lacZ mutant frequency of Muta™ Mouse spermatogonial stem cells after low dose subchronic exposure to N-ethyl-N-nitrosourea

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dc.contributor.author

O'Brien, Jason M.

Walker, Mike

Sivathayalan, Ahalya

Douglas, George R.

Yauk, Carole L.

Marchetti, Francesco

dc.date.accessioned

2024-05-03T23:06:26Z

dc.date.available

2024-05-03T23:06:26Z

dc.date.issued

2015-01-17

dc.description - en

Health Canada is responsible for assessing the health risks posed by exposure to chemicals. One important component of this risk assessment is to characterize the relationship between the levels of exposure and any associated toxic effects (dose-response). The dose-response relationship is used by risk assessors to determine acceptable exposure levels. Currently, there is contention in the regulatory community about the characteristics of the dose-response for chemicals that cause DNA damage, especially at low doses and in germ cells (sperm and egg). In this study, a transgenic rodent mutation assay was used to characterize the dose-response relationship between exposure to the model DNA-damaging chemical N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) and DNA mutations in the germ cells of exposed male mice. The dose-response after a single exposure to high doses (acute exposure) was also compared to the dose-response in mice exposed to similar total doses fractionated over a 28-day period (sub-chronic exposure). The results showed a linear dose-response in germ cell mutation for mice exposed acutely to ENU, where all dose groups had significantly higher mutation compared to control animals, and the amount of mutation was proportional to the dose received. In contrast, the dose-response after sub-chronic exposure was non-linear, such that only the highest dose group had significantly more mutation than control animals. The degree of mutation in all other dose groups was indistinguishable from controls. This outcome suggests that germ cells have a coping mechanism to prevent mutation from low levels of ENU exposure. This is contrary to the current paradigm, which assumes that there are no levels of exposure that do not result in mutation. The results from this study have important implications for the quantitative risk assessment of DNA-damaging chemicals. Additionally, this work demonstrates the utility of the transgenic rodent mutation assay for quantitative dose-response analysis in germ cells.

dc.description.abstract - en

The transgenic rodent mutation assay was used to compare the dose-response relationship of lacZ mutant frequency (MF) in spermatogonial stem cells exposed acutely or subchronically to N-ethyl-N-nitrosourea (ENU). Muta(™) Mouse males were exposed orally to 0, 25, 50, or 100 mg/kg ENU for acute exposures and 0, 1, 2, or 5 mg/(kg day) for 28-day subchronic exposures. LacZ MF was measured in sperm collected 70 days post-exposure to target spermatogonial stem cells. Dose-response data were fit to linear, quadratic, exponential, or power models. Acute exposure resulted in a dose-dependent increase in MF that was significant (P < 0.05) at all doses tested and was best described by a quadratic dose-response model that was linear in the low dose range. In contrast, similar total doses fragmented over a 28-day subchronic exposure only resulted in a significant increase in lacZ MF at the highest dose tested. Therefore, the subchronic no observable genotoxic effect level (NOGEL) was 2 mg/(kg day) (or 56 mg/kg total dose). The subchronic dose-response was best described by the exponential and power models, which were sublinear in the low dose range. Benchmark dose lower confidence limits (BMDLs) for acute and subchronic exposure were 3.0 and 1.0 mg/(kg day) (or 27.4 mg/kg total dose), respectively. These findings are supportive of a saturable DNA repair mechanism as the mutagenic mode of action for ENU in spermatogonia and imply that sufficiently low exposures would not cause appreciable genotoxic effects over background. This may have important implications for the quantitative risk assessment of germ cell mutagens.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Le test de mutation des rongeurs transgéniques a été utilisé pour comparer la relation dose-réponse de la fréquence du mutant lacZ (MF) dans les cellules souches spermatogoniales exposées de manière aiguë ou subchronique à la N-éthyl-N-nitrosourée (ENU). Les souris mâles Muta(™) ont été exposées par voie orale à 0, 25, 50 ou 100 mg/kg d'ENU pour des expositions aiguës et à 0, 1, 2 ou 5 mg/(kg par jour) pour des expositions subchroniques de 28 jours. LacZ MF a été mesuré dans les spermatozoïdes collectés 70 jours après l'exposition pour cibler les cellules souches spermatogoniales. Les données dose-réponse ont été ajustées à des modèles linéaires, quadratiques, exponentiels ou de puissance. L'exposition aiguë a entraîné une augmentation dose-dépendante du MF qui était significative (P < 0,05) à toutes les doses testées et qui a été mieux décrite par un modèle dose-réponse quadratique qui était linéaire dans la plage de faibles doses. En revanche, des doses totales similaires fragmentées sur une exposition subchronique de 28 jours n’ont entraîné une augmentation significative du lacZ MF qu’à la dose la plus élevée testée. Par conséquent, la dose subchronique sans effet génotoxique observable (NOGEL) était de 2 mg/(kg par jour) (ou 56 mg/kg de dose totale). La relation dose-réponse subchronique a été mieux décrite par les modèles exponentiels et de puissance, qui étaient sublinéaires dans la plage des faibles doses. Les limites de confiance inférieures (BMDL) de la dose de référence pour l'exposition aiguë et subchronique étaient respectivement de 3,0 et 1,0 mg/(kg/jour) (ou 27,4 mg/kg de dose totale). Ces résultats soutiennent l'hypothèse d'un mécanisme de réparation saturable de l'ADN en tant que mode d'action mutagène de l'ENU dans les spermatogonies et impliquent que des expositions suffisamment faibles ne provoqueraient pas d'effets génotoxiques appréciables par rapport au bruit de fond. Cela peut avoir des implications importantes pour l’évaluation quantitative des risques liés aux mutagènes des cellules germinales.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation des risques pour la santé posés par l'exposition aux produits chimiques. Un élément important de cette évaluation des risques consiste à caractériser la relation entre les niveaux d'exposition et les effets toxiques associés (dose-réponse). La relation dose-réponse est utilisée par les évaluateurs des risques pour déterminer les niveaux d'exposition acceptables. Il existe actuellement des controverses au sein de la communauté réglementaire sur les caractéristiques de la relation dose-réponse pour les produits chimiques qui endommagent l'ADN, en particulier à faibles doses et dans les cellules germinales (sperme et ovule). Dans cette étude, un test de mutation de rongeurs transgéniques a été utilisé pour caractériser la relation dose-réponse entre l’exposition au produit chimique modèle endommageant l’ADN, la N-éthyl-N-nitrosourée (ENU) et les mutations de l’ADN dans les cellules germinales des souris mâles exposées. La relation dose-réponse après une exposition unique à des doses élevées (exposition aiguë) a également été comparée à la relation dose-réponse chez des souris exposées à des doses totales similaires fractionnées sur une période de 28 jours (exposition subchronique). Les résultats ont montré une dose-réponse linéaire dans la mutation des cellules germinales chez les souris exposées de manière aiguë à l'ENU, où tous les groupes de dose présentaient une mutation significativement plus élevée que les animaux témoins, et la quantité de mutation était proportionnelle à la dose reçue. En revanche, la réponse dose-réponse après une exposition subchronique n’était pas linéaire, de sorte que seul le groupe recevant la dose la plus élevée présentait significativement plus de mutations que les animaux témoins. Le degré de mutation dans tous les autres groupes de dose était impossible à distinguer de celui des témoins. Ce résultat suggère que les cellules germinales disposent d'un mécanisme d'adaptation pour empêcher la mutation due à de faibles niveaux d'exposition à l'ENU. Ceci est contraire au paradigme actuel, qui suppose qu’il n’existe aucun niveau d’exposition qui n’entraîne pas de mutation. Les résultats de cette étude ont des implications importantes pour l’évaluation quantitative des risques liés aux produits chimiques endommageant l’ADN. De plus, ce travail démontre l’utilité du test de mutation des rongeurs transgéniques pour l’analyse quantitative dose-réponse dans les cellules germinales.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1002/em.21932

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2418

dc.language.iso

en

dc.publisher

Wiley

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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Sublinear response in lacZ mutant frequency of Muta™ Mouse spermatogonial stem cells after low dose subchronic exposure to N-ethyl-N-nitrosourea

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Article

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