[Seite 1↓]Endokrin wirksame Stoffe (endocrine disruptors) und deren Wirkungen auf die Sexualdifferenzierung bei dem Amphib Xenopus laevis:
Untersuchungen in vitro, in vivo und im Freiland

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)

im Fach Biologie
eingereicht an der

Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin

von

Diplom Biologe Christian Bögi

geboren am 12. März 1971 in Karlsruhe

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Jürgen Mlynek

Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Dr. Michael Linscheid

Gutachter:
1. Prof. Dr. Werner Kloas
2. Prof. Dr. Andreas Elepfandt
3. Prof. Dr. Jörg Oehlmann

Tag der mündlichen Prüfung:

26. Februar 2003


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Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung des etablierten Stu-dienmodells Xenopus laevis zur Untersuchung der Wirkung von endocrine disruptors auf die Reproduktionsbiologie von Amphibien.

Um einen Einblick in die grundlegenden Mechanismen der sexuellen Differenzierung von Amphibien zu gewinnen, wurden die Konzentrationen bestimmt, mit denen androgene und estrogene Sexualsteroide während der larvalen Entwicklung in verschiedenen Stadien von Xenopus vorliegen. Parallel wurde das Auftreten der korrespondierenden Rezeptoren im Verlauf der Entwicklung untersucht, über welche die hormonelle Wirkung vermittelt wird. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse konnte eine neue Hypothese zur sexuellen Differenzierung von Amphibien entwickelt und vorgestellt werden. Sie stellt das Enzym 5α-Reduktase, das die Umwandlung von Testosteron in das potentere und nicht weiter aromatisierbare Androgen Dihydrotestosteron (DHT) bewerkstelligt, in den Mittelpunkt des Prozesses der Geschlechtsdifferenzierung. Abhängig von der genetisch bedingten Expression dieses Enzyms kommt es zu einem höheren oder niedrigeren Auftreten des DHT und damit zu Unterschieden im Verhältnis von DHT zu Estradiol (E2). Der Charakter dieses Verhältnisses scheint der entscheidende Auslöser für die Entwicklung eines weiblichen oder männlichen Phänotyps zu sein.

In einem zweiten, anwendungsorientierten Teil wurde untersucht, in wie weit die bislang auf Laboruntersuchungen beschränkte Arbeit mit X. laevis auf Feldstudien erweiterbar ist und ob sich auf diese Weise gewonnene Daten auf die Situation heimischer Amphibien übertragen lassen. Parallele Expositionen des Krallenfrosches einerseits und des Grasfrosches (Rana temporaria) andererseits gegenüber realen Medien unter Freilandbedingungen bestätigten die hervorragende Eignung des Studienmodells X.laevis zur Beurteilung endokriner Belastungssituationen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich durch die Verwendung von Festphasenextrakten die endokrinen Wirkungen komplexer Matrizes unter standardisierten Laborbedingungen charakterisieren lassen. Rezeptorbindungs­studien sowie Untersuchungen zur Genexpression spezifischer Marker, histologische Betrachtungen von Gonadengewebe und die Bestimmung von Geschlechter­verhältnissen ermöglichten Aussagen auf vielfältigen Nachweisebenen. Auf diese Weise konnte das Potenzial, mit dem Proben jeder Art, sowohl durch kurz- als auch durch langfristige Exposition, adverse Effekte auf das amphibische Hormonsystem hervorrufen können, umfassend und differenziert analysiert werden.

Eigene Schlagworte: Amphibien, Xenopus laevis, endokrine Disruption, Sexualdifferenzierung, Umwelt


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Abstract

The presented work aims to contribute to the various opportunities of studying the effects of endocrine disruption on sexual differentiation in amphibians provided by the well established model Xenopus laevis.

In order to gain insight into the basic mechanisms underlying the sexual differentiation in amphibians, the concentrations of androgen and estrogen sexual steroids during several stages of the larval development of Xenopus were determined. In parallel, the ocurrence of the corresponding receptors, which mediate the effects of the respective hormones, was observed.

Based on the results of the studies described, a new hypothesis regarding sexual differentiation in amphibians is presented, which assignes the enzyme 5α-reductase as the central element of sexual development. This enzyme converts the androgen testosterone into dihydrotestosterone, which can not be aromatized into estradiol. Depending on the genetic sex of the indivual, genexpression of 5α-reductase may differ and therefore lead to a characteristic ratio of androgens and estrogens. We suggest, that this ratio might be the essential trigger for amphibians to develop into a male or a female.

A second part aimed to enlarge the Xenopus model to the use in field studies and to proof the transferability of such data to the situation of endemic amphibians. Exposure in parallel of Xenopus on one hand and the green frog Rana temporaria on the other to the effluent of a bavarian wastewater treatment plant revealed the exceeding suitability of the model to asess the endocrine charge of the environment. Furthermore, the use of solid phase extracts derived from natural samples allowed the characterization of the respective endocrine potential under standardized laboratory conditions. Rezeptor binding studies, detection of genexpression of specific biomarkers, histological examination of gonadal tissue and the determination of sex ratios provided the evaluation of effects on several levels of investigation. By this means the Xenopus model offers the opportunity to assess the ability of any kind of sample to cause endocrine impacts on amphibians after short time as well as after long time exposure in a broad and at the same time differentiated way.

Keywords: Amphibians, Xenopus laevis, endocrine disruption, sexual differentiation, environment

Inhaltsverzeichnis

Tabellen

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30.01.2004