Applications of the long-term culture human primordial germ cell-like cells to toxicological assessments and mechanistic studies on chemically caused heritable human health threats

长期培养人类原始生殖细胞样细胞在化学引起的遗传性人类健康威胁的毒理学评估和机制研究中的应用

基本信息

  • 批准号:
    10666200
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25.05万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-04-01 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Because germ cells are exclusively capable of passing the genetic materials to the progeny, damages to their genome – either involving DNA mutations or only affecting epigenetic machineries – impose a unique risk of initiating heritable disorders. Whereas toxicants that reduce viability of germ cells may diminish fertility, lesions in the genome of survived germ cells may be persistent beyond generations to harm health of the offspring. Because the risk of creating hereditary diseases would increase when the genome of embryonic precursors of germ cells is impaired, and because sensitivities and genotoxic mechanisms of a toxic substance may vary among different cell types, assessments of such a risk would be best performed using human germline precursor cells. However, the lack of cell culture models of human germ cell precursors suitable for in vitro assessments has been a significant obstacle to understanding the realistic risk that chemical exposure initiates heritable diseases as well as to develop strategies for protecting the genome of human germ cells. The large and ever-increasing number of synthetic compounds further raises the hurdle of comprehensive understanding of such exposure-initiated heritable health threats. The Primordial germ cells (PGC) is the most upstream precursor of all germ cells. The human PGC-like cell (hPGCLC) is a pluripotent stem cell-derived cell culture model of human PGCs, but technical difficulties with its in vitro expansion has been preventing its practical use for toxicological assessments. Our laboratory has recently overcome this hurdle by successfully establishing the Long-Term Culture hPGCLC (LTC-hPGCLC), which perpetually expands in a serum/feeder layer-free cell culture condition as a highly homogeneous, senescence-free cell population without losing their PGC-like characteristics. Taking advantage of LTC-hPGCLCs, this project will obtain critical mechanistic insights into how environmental chemicals affect genetic and epigenetic integrity of human PGCs through creating novel nucleotide base mutations (Aim 1) or disrupting the epigenetic integrity (Aim 2). A genetically engineered variant of LTC-hPGCLCs that are resistant to stress-induced cell death will be exposed to toxicants directly or in the context of organ cultures mimicking the micro-environment of human embryonic testis. Aim 1 will examine DNA damaging effects of cigarette smoke mutagens, drugs commonly used for cancer chemotherapy, and nanoparticles whereas Aim 2 will examine epigenetic effects of endocrine disrupting chemicals and the PFAS chemicals, which are used as stain repellants, polishers, paints, and coatings. Attempts will also be made to develop high-throughput compatible assays for evaluation of these genotoxic actions of chemicals in LTC-hPGCLCs. Outcomes of our research will directly inform not only the scientific research community but also the industry and the governmental programs regulating chemical safety about the risk of creating familial diseases via exposure to toxic substances. Our study will also inform the translational toxicology approaches to develop clinical interventions for protection of human germ cell genome.
因为生殖细胞仅能将遗传材料传递给后代 基因组 - 涉及DNA突变或仅影响表观遗传机 - 施加了独特的风险 引发可遗传的疾病。而降低生殖细胞生存能力的毒物可能会降低生育能力,而病变 在幸存的生殖细胞的基因组中,可能会持续几代人,以损害后代的健康。 因为当胚胎前体的基因组的基因组的风险会增加 生殖细胞受损,并且由于有毒物质的敏感性和遗传毒性机制可能会有所不同 在不同的细胞类型中,对这种风险的评估最好使用人类种系 前体细胞。但是,缺乏适合体外生殖细胞前体的细胞培养模型 评估是了解化学暴露启动的现实风险的重要障碍 可遗传的疾病以及制定保护人类生殖细胞基因组的策略。大 不断增加的合成化合物进一步提高了全面理解的障碍 这种暴露引发了可遗传的健康威胁。原始生殖细胞(PGC)是上游最上游的 所有生殖细胞的前体。人PGC样细胞(HPGCLC)是多能干细胞衍生的细胞培养物 人类PGC的模型,但其体外扩展的技术困难一直在阻止其实际使用 用于毒理学评估。我们的实验室最近通过成功建立来克服这一障碍 长期培养HPGCLC(LTC-HPGCLC)永久扩展在无血清/馈线的细胞中 培养条件是高度同质的,无感应的细胞种群,而不会失去其PGC样 特征。利用LTC-HPGCLCS,该项目将获得关键的机理见解 环境化学物质如何通过创建新颖 核苷酸碱突变(AIM 1)或破坏表观遗传完整性(AIM 2)。经过基因工程的 抗应激诱导的细胞死亡的LTC-HPGCLC的变体将直接暴露于有毒物质或 在有机培养物的背景下,模仿了人类睾丸的微环境。目标1意志 检查香烟烟雾诱变的DNA损伤影响,通常用于癌症的药物 化学疗法和纳米颗粒,而AIM 2将检查内分泌干扰的表观遗传作用 化学物质和PFAS化学物质,用作染色剂,抛光剂,油漆和涂料。 还将尝试开发高通量兼容测定法以评估这些Genotoxy LTC-HPGCLC中化学物质的作用。我们研究的结果不仅会直接告知科学 研究社区以及行业和政府计划,以掌管化学安全 通过暴露于有毒物质来产生家族疾病的风险。我们的研究还将告知翻译 毒理学方法开发了保护人类生殖细胞基因组的临床干预措施。

项目成果

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