Cytogenetic Effects in Cultures of Human Lymphocytes Exposed to the Herbicide Paraquat

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We conducted the experiments of the short-term (1 hour) testing effect of the herbicide paraquat, one of the strongest inducer of oxidative stress, on cultured blood cells (late G1 stage of the first mitosis, 4 × 10–8 mol/l) of 9 healthy donors. In 60-hour (short-term) and 120-hour (long-term) lymphocyte cultures exposed to paraquat in vitro, the average frequencies of aberrant cells were 4.05 ± 0.55 and 9.42 ± 1.23%, respectively, which significantly exceeds the corresponding control levels: 1.16 ± 0.30 and 1.70 ± 0.50% (p = 0.008 and p = 0.018, respectively). The observed genotoxic effects are primarily due to the induction of simple chromatid aberrations (single fragments), the levels of which were 3.32 ± 0.40 and 8.92 ± 1.40 per 100 cells as a result of short-term and long-term lymphocyte cultivation, respectively (in comparison with 1.03 ± 0.34 and 1.56 ± 0.38 per 100 cells in the corresponding control). The frequencies of paired chromosomal fragments in cell cultures of both types also significantly (or on the trend level) exceeded the control frequencies (p = 0.046 and p = 0.068 for 60- and 120-hour cultures, respectively). No differences were found between 60- and 120-hour unexposed cell cultures in the level of aberrant cells and chromosome aberrations of all types. In contrast, long-term lymphocyte cultures exposed to paraquat demonstrated significantly increased levels of aberrant metaphases and single chromatid fragments compared to short-term exposed cultures (p = 0.001). Long-term effects were shown to be characterized by higher individual values of Cohen's omega (w) – from 0.157 to 0.259, compared to those for 60-hour cultures – 0.057 to 0.153. The obtained data indicate the induction of genomic instability in distant descendants of human lymphocytes exposed to short-term paraquat at the beginning of cultivation, and its individual nature.

About the authors

N. S. Kuzmina

Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences; Semyonov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Science

Author for correspondence.
Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 119991

K. G. Ordzhonikidze

Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences; Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Science

Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 119991

N. S. Lapteva

Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences

Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

I. N. Kogarko

Semyonov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Science

Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

V. V. Petushkova

Semyonov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Science

Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

S. K. Abilev

Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences

Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. V. Rubanovich

Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences

Email: nin-kuzmin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Зентов Н.К., Ланкин В.З., Меньщикова Е.Б. Окислительный стресс. Биохимические и патофизиологические аспекты. М: Наука, 2001, 343 с.
  2. Цейликман В.Э., Лукин А.А. Влияние окислительного стресса на организм человека // Междун. научно-исслед. журн. 2022. Т. 117. № 3–1. С. 206–211. https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.117.3.037
  3. Rubfiaro A.S., Tsegay P.S., Lai Y. et al. Scanning ion conductance microscopy study reveals the disruption of the integrity of the human cell membrane structure by oxidative DNA damage // ACS Appl. Bio Mater. 2021. V. 4. № 2. Р. 1632–1639. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c01461
  4. Fukushima T., Tanaka K., Lim H., Moriyama M. Mechanism of cytotoxicity of paraquat // Environ. Health Prev. Med. 2002. V. 7. № 3. Р. 89–94. https://doi.org/10.1265/ehpm.2002.89
  5. Cochemé H.M., Murphy M.P. Complex I is the major site of mitochondrial superoxide production by paraquat // J. Biol. Chem. 2008. V. 283. № 4. Р. 1786–1798. https://doi.org/10.1074/jbc.M708597200
  6. Machigov E. A., Igonina E. V., Sviridova D. A. et al. The genotoxic effect of the paraquat radiomimetic on Escherichia coli bacteria // Biol. Bulletin. 2023. V. 49. № 12. Р. 2486–2494. https://doi.org/10.1134/s106235902212010x
  7. WHO. Methods for the Analysis of Human Chromosome Aberrations / Eds. Buckton K.E., Evans H.J. WHO. Geneva, 1973. 72 р.
  8. Вiological Dosimetry: Chromosomal Aberration Analysis for Dose Assessment: Technical reports series № 260. Vienna: Int. Atomic Energy, 1986. 69 р.
  9. Jovtchev G., Gateva S., Stergios M., Kulekova S. Cytotoxic and genotoxic effects of paraquat in Hordeum vulgare and human lymphocytes in vitro // Environ. Toxicol. 2010. V. 25. № 3. P. 294–303. https://doi.org/10.1002/tox.20503
  10. Ribas G., Surrallés J., Carbonell E. et al. Genotoxic evaluation of the herbicide paraquat in cultured human lymphocytes // Teratog. Carcinog. Mutagen. 1997. V. 17. № 6. Р. 339–347.
  11. Gateva S., Kulekova S. Chromosome aberrations and apoptosis induced by Paraquat corresponding with cell cycle delay in human lymphocytes in vitro // J. Environ. Prot. Ecol. 2008. V. 9. № 3. Р. 627–633.
  12. Petrovská H., Dušinská M. Oxidative DNA damage in human cells induced by paraquat // Altern. Lab. Anim. 1999. V. 27. № 3. Р. 387–395. https://doi.org/10.1177/026119299902700314
  13. Tajai P., Fedeles B.I., Suriyo T. et al. An engineered cell line lacking OGG1 and MUTYH glycosylases implicates the accumulation of genomic 8-oxoguanine as the basis for paraquat mutagenicity // Free Radic. Biol. Med. 2018. № 116. Р. 64–72. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2017.12.035
  14. Zienolddiny S., Ryberg D., Haugen A. Induction of microsatellite mutations by oxidative agents in human lung cancer cell lines // Carcinogenesis. 2000. V. 21. № 8. P. 1521–1526.
  15. Alizadeh S., Anani-Sarab G., Amiri H., Hashemi M. Paraquat induced oxidative stress, DNA damage, and cytotoxicity in lymphocytes // Heliyon. 2022. V. 8. № 7. e09895. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09895
  16. Onur B., Çavuşoğlu K., Yalçin E., Acar A. Paraquat toxicity in different cell types of Swiss albino mice // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. Р. 4818. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08961-z
  17. Acar А., Çavuşoğlu К., Türkmen Z. et al. The investigation of genotoxic, physiological and anatomical effects of paraquat herbicide on Allium cepa L. // Cytologia. 2015. V. 80. № 3. P. 343–351. https://doi.org/10.1508/cytologia.80.343
  18. Сусков И.И., Кузьмина Н.С., Сускова В.С. и др. Проблема индуцированной геномной нестабильности как основы повышенной заболеваемости у детей, подвергающихся низкоинтенсивному воздействию радиации в малых дозах // Радиац. биология. Радиоэкология. 2006. Т. 46. № 2. С. 167–177.
  19. Szumiel I. Ionizing radiation-induced oxidative stress, epigenetic changes and genomic instability: The pivotal role of mitochondria // Int. J. Radiat. Biol. 2015. V. 91. № 1. P. 1–12. https://doi.org/10.3109/09553002.2014.934929
  20. Liu X., Yang H., Liu Z. Signaling pathways involved in paraquat-induced pulmonary toxicity: Molecular mechanisms and potential therapeutic drugs // Int. Immunopharmacol. 2022. V. 113 (Pt A). https://doi.org/10.1016/j.intimp.2022.109301.
  21. Costantini P., Petronilli V., Colonna R., Bernardi P. On the effects of paraquat on isolated mitochondria. Evidence that paraquat causes opening of the cyclosporin A-sensitive permeability transition pore synergistically with nitric oxide // Toxicology. 1995. V. 99. № 1–2. Р. 77–88. https://doi.org/10.1016/0300-483x(94)02997-9
  22. Coluccino G., Muraca V.P., Corazza A., Lippe G. Cyclophilin D in mitochondrial dysfunction: A key player in neurodegeneration? // Biomolecules. 2023. V. 13. № 8. Р. 1265. https://doi.org/10.3390/biom13081265
  23. Milzani A., Dalledonne I., Vailati G., Colombo R. Paraquat induces actin assembly in depolymerizing conditions // FASEB J. 1997. V. 11. № 4. Р. 261–270. https://doi.org/10.1096/fasebj.11.4.9068615
  24. Wright G., Reichenbecher V., Green T. et al. Paraquat inhibits the processing of human manganese-dependent superoxide dismutase by SF-9 insect cell mitochondria // Exp. Cell Res. 1997. V. 234. № 1. Р. 78–84. https://doi.org/10.1006/excr.1997.3579
  25. Chang Z.S., Xia J.B., Wu H.Y. et al. Forkhead box O3 protects the heart against paraquat-induced aging-associated phenotypes by upregulating the expression of antioxidant enzymes // Aging Cell. 2019. V. 18. № 5. https://doi.org/10.1111/acel.12990.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».