예쁜꼬마선충을 이용한 환경유해인자의 만성 노출에 대한 종합 독성 평가 = A comprehensive toxicity assessment of chronic exposure to environmental hazards using caenorhabditis elegans

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Pesticides are widely used environmental hazards in agriculture to protect crops from pests, weeds, and diseases. Pesticides can be chronically exposed and accumulate in body throughout life. Recently, pesticides have been reported to cause cancer and neurodegenerative diseases. However, there have been few studies on this topic, especially neurotoxicity, in nontarget organisms, including humans. This study aims to explore the identification of neurotoxicants among commercial pesticides. Furthermore, this study investigate the comprehensive toxicity mechanisms including
neurotoxicity induced by the active ingredients such as dithianon and fludioxonil. Dithianon is a quinone-based fungicide that has been widely used in crop management to control a variety of fungal diseases. It may have unintended consequences in non-target species, including humans, due to its multi-site thiol-reactivity. This study show that dithianon causes dopaminergic neurotoxicity both morphologically and functionally. It increases oxidative stress
as well as mitochondrial fragmentation. Importantly, antioxidant NAC treatments or drp-1 depletion mitigated neurotoxicity, caused by dithianon. These findings suggest that dithianon causes dopaminergic neurotoxicity by inducing oxidative stress and mitochondrial dysfunction. Thus, dithianon is not only a fungicidal substance but also a neurotoxicant that can cause dopaminergic neurodegeneration in non-target organisms. Fludioxonil is a synthetic compound based on phenylpyrrole that is widely used as a fungicide in agriculture. In fungi, it has been shown to excessively activate the osmotic MAP kinase cascade. This study shows that fludioxonil is toxic for viability, growth, and reproduction in C. elegans. Fludioxonil dysregulates dopaminergic systems and causes abnormal behavior in C. elegans. These findings suggest that fludioxonil causes broad multi-toxicity in C. elegans. Thus, fludioxonil is not only a fungicidal agent but also a toxicant in non-target organisms. This study assesses the toxicity of environmental hazards, such as pesticides, on nontarget organisms. Specifically, active ingredients in certain pesticides demonstrate a potential risk of toxicity and dopaminergic neurotoxicity. This study is expected to make a substantial contribution to a comprehensive understanding of the environmental impact of pesticides. Furthermore, these findings have the potential to assist future research on environmental conservation and safety.
Keywords: Environmental hazards, Pesticides, Dithianon, Fludioxonil, Neurotoxicity, Dopaminergic neuron, Toxicity

국문 초록 (Abstract)

환경유해인자인 농약은 농작물의 생산성 향상을 위해 해충, 잡초 및 질병을 통제하거나 방지하는 데 사용된다. 인간을 포함한 많은 생물이 생애 동안 농약에 만성적으로 노출되며, 체내에 축적될 수 있다. 최근 화학 농약이 암이나 신경질환을 유발할 수 있다는 보고가 있다. 하지만 인간을 포함한 비표적 생물과 농약 간의 연관성에 대한 연구는 여전히 미비하다. 특히 신경독성을 유발할 가능성에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다.
이에 본 연구는 동물 모델로 예쁜꼬마선충을 사용하여 시판 농약 중 신경독성을 유발하는 다수의 살균제를 스크리닝하였다. 더 나아가, 살균제의 주요 유효 성분인 중 디티아논(Dithianon)과 플루디옥소닐(Fludioxonil)에 의해 신경독성을 포함한 여러 독성 유발 기작을 다양한 실험 기법을 사용하여 종합적으로 분석하였다.
디티아논은 퀴논계 살균제의 주요 성분이며, 티올(Thiol) 반응성이 높아 디티아논 노출에 의해 의도치 않은 체내 반응을 야기할 수 있다. 본 연구 결과, 디티아논은 형태적, 기능적으로 도파민성 뉴런의 결함을 야기하며, 체내의 활성산소종과 미토콘드리아 절편화를 증가시킨다. 디티아논에 의해 유도된 도파민성 뉴런 독성은 항산화제 처리 또는 미토콘드리아 분열 유전자인 drp-1의 RNAi를 통해 회복되었다. 이러한 결과는 디티아논이 예쁜꼬마선충에서 산화스트레스와 미토콘드리아 결함을 증가시킴으로써 도파민성 뉴런 사멸을 야기함을 나타낸다. 따라서, 본 연구는 디티아논이 진균의 살균 효과뿐만 아니라 비표적 생물에서 도파민성 뉴런 독성을 야기할 수 있는 신경독성물질임을 보여준다.
플루디옥소닐은 페닐 피롤계 살균제이며, 진균의 HOG(High osmolarity glycerol) 신호 전달 체계를 과활성화함으로써 진균-특이적인 살균 효과를 가진다고 알려져 있지만 아직까지 작용 기작이 불분명하다. 본 연구 결과, 플루디옥소닐은 예쁜꼬마선충에서 생존율 감소와 성장 저해, 생식 독성을 야기한다. 또한 플루디옥소닐 노출에 의해 선충의 도파민성 시스템을 비정상적으로 조절하며, 움직임이 빨라지거나 이상 행동을 야기한다. 이러한 결과는 플루디옥소닐이 예쁜꼬마선충에서 생존과 성장, 생식, 신경계에 있어 광범위한 독성을 야기함을 나타낸다. 더 나아가 플루디옥소닐이 진균-특이적인 살균 기작 이외에 비표적 생물에서도 광범위한 독성을 야기할 수 있는 잠재성에 대해 보고한다.
본 연구는 농약과 같은 환경유해인자가 비표적 생물에게 미치는 독성을 평가하였다. 특히 특정 농약 성분은 도파민성 뉴런에 대한 신경독성을 포함한 다양한 독성을 유발할 수 있는 잠재적 위험성을 보여주었다. 본 연구 결과는 농약 사용에 따른 환경 영향을 심층적으로 이해하고, 동시에 신경독성을 비롯한 종합적인 독성 유발 기작을 밝혀내어 환경 보전 및 안전성에 관한 향후 연구에 기여할 것이라 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 예쁜꼬마선충을 이용한 신경독성물질 스크리닝 및 신경독성 기작 연구 01
• I. 서론 02
• II. 연구 목적과 필요성 04
• III. 실험 재료와 실험 방법 05
• IV. 실험 결과 07
• V. 고찰 13
• 제2장 플루디옥소닐에 의한 종합 독성 평가 15
• I. 서론 16
• II. 연구 목적과 필요성 17
• III. 실험 재료와 실험 방법 18
• IV. 실험 결과 23
• V. 고찰 38
• 참고 문헌 41
• 영문 초록 46
• 부록 48