sh.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Persistent Effects of Developmental Exposure to 17α-Ethinylestradiol on the Zebrafish (Danio rerio) Brain Transcriptome and Behavior
Södertörn University, School of Natural Sciences, Technology and Environmental Studies, Environmental Science.ORCID iD: 0000-0001-7239-7121
Södertörn University, School of Natural Sciences, Technology and Environmental Studies, Biology. Örebro universitet.
Södertörn University, School of Natural Sciences, Technology and Environmental Studies, Biology. Örebro univesitet.
Uppsala universitet.
Show others and affiliations
2017 (English)In: Frontiers in Behavioral Neuroscience, ISSN 1662-5153, E-ISSN 1662-5153, Vol. 11, article id 69Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The synthetic estrogen 17α-ethinylestradiol (EE2) is an endocrine disrupting compound of concern due to its persistence and widespread presence in the aquatic environment. Effects of developmental exposure to low concentrations of EE2 in fish on reproduction and behavior not only persisted to adulthood, but have also been observed to be transmitted to several generations of unexposed progeny. To investigate the possible biological mechanisms of the persistent anxiogenic phenotype, we exposed zebrafish embryos for 80 days post fertilization to 0, 3 and 10 ng/L EE2 (measured concentrations 2.14 and 7.34 ng/L). After discontinued exposure, the animals were allowed to recover for 120 days in clean water. Adult males and females were later tested for changes in stress response and shoal cohesion, and whole-brain gene expression was analyzed with RNA sequencing. The results show increased anxiety in the novel tank and scototaxis tests, and increased shoal cohesion in fish exposed during development to EE2. RNA sequencing revealed 34 coding genes differentially expressed in male brains and 62 in female brains as a result of EE2 exposure. Several differences were observed between males and females in differential gene expression, with only one gene, sv2b, coding for a synaptic vesicle protein, that was affected by EE2 in both sexes. Functional analyses showed that in female brains, EE2 had significant effects on pathways connected to the circadian rhythm, cytoskeleton and motor proteins and synaptic proteins. A large number of non-coding sequences including 19 novel miRNAs were also differentially expressed in the female brain. The largest treatment effect in male brains was observed in pathways related to cholesterol biosynthesis and synaptic proteins. Circadian rhythm and cholesterol biosynthesis, previously implicated in anxiety behavior, might represent possible candidate pathways connecting the transcriptome changes to the alterations to behavior. Further the observed alteration in expression of genes involved in synaptogenesis and synaptic function may be important for the developmental modulations resulting in an anxiety phenotype. This study represents an initial survey of the fish brain transcriptome by RNA sequencing after long-term recovery from developmental exposure to an estrogenic compound.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. Vol. 11, article id 69
National Category
Biological Sciences
Research subject
Environmental Studies; Baltic and East European studies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:sh:diva-32462DOI: 10.3389/fnbeh.2017.00069ISI: 000400103600001PubMedID: 28473760Scopus ID: 2-s2.0-85018300638Local ID: 1556/42/2011OAI: oai:DiVA.org:sh-32462DiVA, id: diva2:1092594
Projects
Endocrine disruption in fish
Funder
The Foundation for Baltic and East European Studies, 1556/42/2011Stockholm County Council, 806/3.1.1/2014Available from: 2017-05-03 Created: 2017-05-03 Last updated: 2018-04-30Bibliographically approved
In thesis
1. Endocrine disruption in fish: Effects of 17α-ethinylestradiol exposure on non-reproductive behavior, fertility and brain and testis transcriptome
Open this publication in new window or tab >>Endocrine disruption in fish: Effects of 17α-ethinylestradiol exposure on non-reproductive behavior, fertility and brain and testis transcriptome
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Aquatic environments are the end recipient for most anthropogenic chemical pollutants. One common chemical pollutant found in the aquatic environment is 17α-ethinylestradiol (EE2), a synthetic estrogen used in contraceptive pills. EE2 is found in sewage treatment plant effluents and surface waters in concentrations from non-detectable up to 300 ng/L. EE2 has the ability to bioaccumulate and is more than 10 fold more potent in fish than the natural counterpart estradiol. Exposure has led to skewed sex ratios, decreased egg and sperm production, and altered reproductive behavior.  The aim of this thesis was to investigate the effects of EE2 exposure on non-reproductive behavior and fertility in fish. We found that zebra fish exposed to low concentrations of EE2 during development showed increased anxiety-like behavior and decreased fertility that were persistent in adulthood, even after a long remediation period in clean water. The altered behavior and lowered fertility were accompanied by alterations in the testis and brain transcriptome of possible significance for the behavior and fertility effects. The zebrafish was also used in adult exposures of EE2 and citalopram, alone and in combination to investigate if behavioral effects can be detected at very low concentrations, and if so, if the two compounds would interact and affect the behavioral outcome. Anxiety-like behavior was altered by EE2 and the two compounds in combination affected the outcome of each other. Further, when developmental exposure of progeny to wild caught three spined stickleback was used as a link between laboratory fish and natural fish populations, EE2 was found to decrease the anxiety-like behavior in the adult stickleback as well as cause ovotestis and intersex, feminization and sex reversal of genetic males. In conclusion, fertility and non-reproductive behaviors in the zebrafish and three spined stickleback are sensitive to EE2 exposure and effects from developmental exposures seem to be persistent.  Fertility and behavior are of high ecological significance for fish and alterations due to EE2 exposure might have negative effects on population fitness. The persistent alterations in the transcriptome of the zebrafish testis and brain lead to generation of hypotheses of mechanisms involved in the behavior and reproductive phenotypes caused by developmental exposure to EE2.

Abstract [sv]

Den akvatiska miljön är ofta särskilt utsatt för miljöföroreningar då de flesta ämnen förr eller senare sprids dit genom bland annat markavrinning, nedfall från luften och/eller från vattenreningsverk. Syntetiskt östrogen som används i p-piller, 17α-etinylestradiol (EE2), sprider sig ofta till vattenmiljön från avloppsvatten, då det bara delvis renas bort i vattenreningsprocessen. EE2 är ett hormonstörande ämne med förmågan att ansamlas i organismer och mer än tio gånger så verksamt i fisk som det naturliga hormonet estradiol (E2). Man har tidigare sett att exponering för EE2 även i de låga halter som påvisas vid vattenreningsverk bland annat har lett till minskade produktion av ägg och spermier samt förändrade parningsbeteenden.

I denna avhandling undersöks effekterna av EE2 på fiskars icke-reproduktiva beteende och fertilitet. Dessa faktorer är av hög ekologisk relevans för fisk då förändringar på dessa kan ge negativa effekter på populationsnivå. Resultaten visar att zebrafisk som exponeras för låga halter av EE2 under utvecklingen uppvisar ett mer ängsligt beteende och har lägre fertilitet när de blir vuxna även efter en lång återhämtningsperiod i rent vatten. Det förändrade beteendet uppvisas även hos avkomman till dessa fiskar.  Förändringarna i beteende och fertilitet åtföljdes av förändringar i hjärnans och testikelvävnadens transkriptom, dvs. förändringar i vilka gener som uttrycks. I zebrafiskens testikelvävnad hittades bland annat en skillnad i uttryck av gener kopplade till könsdifferentiering och utveckling samt spermatogenesen, gener som kan ha betydelse för den nedsatta fertiliteten. I zebrafiskens hjärna hittades ingen skillnad i uttryck på gener direkt kopplade till stressaxeln men däremot på flera andra gener i nätverk som indirekt kan kopplas till det ängsliga beteendet som dygnsrytm och kolesterolsyntes. I naturen exponeras organismer ofta för en blandning av föroreningar. Därför undersöktes också effekter av EE2 i kombination med citalopram, ett antidepressivt läkemedel som ofta påvisas i vattenmiljön, för att undersöka om förändringar i beteende kan påvisas även vid väldigt låga koncentrationer av varje ämne och, om så är fallet, vilka effekter en kombination av de två ämnena ger. Vuxna zebrafiskar uppvisade beteendeförändringar även vid dessa låga koncentrationer efter två veckors exponering och de två ämnena påverkade beteendet olika var för sig och i kombination. Vidare, användes vildfångad storspigg i ett exponeringsexperiment för att undersöka om resultaten från zebrafisken, som är en avlad laboratoriefisk, kan ses också i vilda fiskpopulationer. Även storspiggar som exponerades för EE2 under utveckling fick ett modifierat beteende samt en skev könsfördelning som vuxna: fler honor fanns hos de storspiggar som exponerats och vidare undersökningar visade att dessa var genetiska hanar som utvecklats som honor.

Den här avhandlingen visar beständiga förändringar i zebrafiskens transkriptom i hjärna och testikelvävnad efter exponering för EE2 i låga halter under utveckling. Både icke-reproduktiva beteenden och fertilitet visade sig känsliga för EE2 i såväl zebrafisk som storspigg och effekterna verkar vara permanenta. Sammanfattningsvis har EE2 effekter på ekologiskt relevanta faktorer hos fisk i de halter som förekommer i vattenmiljön och hormonstörande föroreningar som EE2 kan ge långvariga effekter som syns senare i livet även vid låga koncentrationer.

Place, publisher, year, edition, pages
Huddinge: Södertörns högskola, 2018. p. 165
Series
Södertörn Doctoral Dissertations, ISSN 1652-7399 ; 155
Keywords
17α-ethinylestradiol, endocrine disrupting chemical, fish, behavior, fertility, transcriptome, RNA sequencing
National Category
Environmental Sciences
Research subject
Environmental Studies; Baltic and East European studies
Identifiers
urn:nbn:se:sh:diva-34913 (URN)978-91-88663-43-6 (ISBN)978-91-88663-44-3 (ISBN)
Public defence
2018-06-01, MA624, Alfred Nobels allé 7, Huddinge, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
The Foundation for Baltic and East European Studies
Available from: 2018-05-08 Created: 2018-04-30 Last updated: 2018-05-08Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textPubMedScopusPMC Full text

Authority records BETA

Porseryd, ToveVolkova, KristinaReyhanian Caspillo, NasimDinnétz, PatrikPorsch Hällström, Inger

Search in DiVA

By author/editor
Porseryd, ToveVolkova, KristinaReyhanian Caspillo, NasimDinnétz, PatrikPorsch Hällström, Inger
By organisation
Environmental ScienceBiology
In the same journal
Frontiers in Behavioral Neuroscience
Biological Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetric score

doi
pubmed
urn-nbn
Total: 151 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf