Concentration Dependence of the Mechanisms of Tributyltin-Induced Apoptosis

Abstract

Tributyltin chloride (TBT), an endocrine-disrupting chemical, has been used as a heat stabilizer, agricultural pesticide, and component of antifouling paints. In this study, we investigated the concentration dependence of the mechanisms of tributyltin cytotoxicity in PC12 cells. Exposure of PC12 cells to both 500 nM and 2 microM tributyltin increased the number of cells showing nuclear fragmentation, a typical apoptotic feature, and activated caspase-3. The peak Ca(2+) concentration in 2 microM tributyltin-treated cells was higher than that in 500 nM tributyltin-treated cells. The intracellular Ca(2+) increase induced by 2 microM tributyltin was mediated by Ca(2+) release from both inositol 1,4,5-trisphosphate receptor and ryanodine receptor, while the Ca(2+) increase induced by 500 nM tributyltin was mediated through the voltage-dependent calcium channel (VDCC). Next, we investigated whether the mechanisms leading to cell death after Ca(2+) increase were different. Reactive oxygen species (ROS) were involved only in 2 microM tributyltin-induced cell death, while c-jun N-terminal kinase (JNK) mediated only 500 nM tributyltin-induced toxicity. Thus, caspase-dependent apoptosis caused by 2 microM tributyltin was mediated by a large Ca(2+) increase via inositol 1,4,5-trisphosphate receptor and ryanodine receptor, followed by generation of ROS. Apoptosis caused by 500 nM tributyltin was mediated by a moderate Ca(2+) increase through the VDCC, followed by phosphorylation of JNK. These results suggest that apoptosis by TBT is induced via distinct pathways depending on the TBT concentration, and we showed a rare example that upstream mechanisms of apoptosis are distinct depending on strength of toxic insult.

Cultured heart cells from oyster : an experimental approach for evaluation of the toxicity of the marine pollutant tributyltin

“…On the contrary, we observed a dose and time dependant reduction of the inward Ca ++ and Na + currents. Many previous reports have also demonstrated that TBT increases intracellular Ca ++ concentration (Oyama et al 1994;Mizuhashi et al 2000;Nakatsu et al 2006Nakatsu et al , 2007, which, in turn, can induce apoptosis (Chow et al 1992;Corsini et al 1997;Stridh et al 1999). Apoptosis is related to mitochondrion dysfunction, demonstrated by the MTT assay, inducing ATP depletion and Ca ++ release.…”

“…Results obtained in similar experimental conditions are in accordance with our data. Moreover, a rapid timedependant increase in the number of apoptotic mammalian cells was observed during the first hour of incubation with 2 × 10 −6 M TBT (Stridh et al 1999;Jurkiewicz et al 2004;Nakatsu et al 2007). Aluoch (2007) revealed that exposure to 3 × 10 −7 M TBT for 10 min increased the activation of proapoptotic proteins.…”

n‐Butylzinnverbindungen [MAK Value Documentation in German language, 2008]

“…Bei Thymozyten erzeugte Trin-butylzinn eine Ca 2+ -Mobilisierung sowohl durch Erhöhung der Ca 2+ -Permeabilität der Membranen intrazellulärer Organellen als auch durch eine Hemmung der Ca 2+ -ATPase der Plasmamembranen (Oyama et al 1994). Über die Störung der Ca 2+ -Homöostase induzierte Tri-n-butylzinn die Apoptose unter anderem in Thymozyten (Aw et al 1990;Raffray und Cohen 1993), Milzzellen (Gennari et al 1997) und PC12-Zellen (Nakatsu et al 2007). Es wurde gezeigt, dass ein durch Tri-n-butylzinn hervorgerufener intrazellulärer Ca 2+ -Anstieg die Caspase-3 aktivierte (Nakatsu et al 2006(Nakatsu et al , 2007, die als zentrales Enzym am Apoptoseprozess beteiligt ist.…”

“…Über die Störung der Ca 2+ -Homöostase induzierte Tri-n-butylzinn die Apoptose unter anderem in Thymozyten (Aw et al 1990;Raffray und Cohen 1993), Milzzellen (Gennari et al 1997) und PC12-Zellen (Nakatsu et al 2007). Es wurde gezeigt, dass ein durch Tri-n-butylzinn hervorgerufener intrazellulärer Ca 2+ -Anstieg die Caspase-3 aktivierte (Nakatsu et al 2006(Nakatsu et al , 2007, die als zentrales Enzym am Apoptoseprozess beteiligt ist. Bei isolierten Lebermitochondrien führte Tri-n-butylzinn in Gegenwart einer erhöhten Ca 2+ -Konzentration zur Freisetzung von Cytochrom c (Gogvadze et al 2002).…”

“…In menschlichen NK-Zellen übte Tri-n-butylzinn dagegen keinen Einfluss auf die Apoptose aus, wie Untersuchungen zu den pro-apoptotischen Proteinen Bax und p53 sowie zu dem anti-apoptotischen Protein Bcl-2 zeigten (Aluoch et al 2007). Verschiedene Signalübertragungswege wurden aufgrund der durch Tri-n-butylzinn hervorgerufenen Mobilisierung von intrazellulärem, freiem Calcium und der daraus resultierenden Phosphorylierung von Mitogen-aktivierten Proteinkinasen beeinflusst: die MAP-Kinase JNK in PC12-Zellen (Nakatsu et al 2007), die MAP-Kinasen p38, JNK und ERK in menschlichen T-Zellen (Yu et al 2000) sowie die Proteinkinasen p38 und p44/42 in menschlichen NK-Zellen (Aluoch und Whalen 2005). Der durch Tri-n-butylzinn induzierte Verlust der Fähigkeit der NK-Zellen zur Bindung an Tumorzellen wurde durch einen Verlust der Oberflächen-Antigene CD16 und CD56 sowie durch die Verringerung der Expression der zytotoxisch wirksamen Proteine Granzyme B und Perforin (Thomas et al 2004) hervorgerufen.…”