Studies on the effect of epigenetic changes on the nervous system by exposure to volatile organic compounds using multi-omics analysis

Abstract

One can be easily exposed to environmentally harmful substances anywhere, including daily life and industrial sites; thus, it is common to be exposed to various substances rather than just one harmful substance. These environmentally harmful substances can cause various diseases. Volatile organic compounds (VOCs) are easily evaporated into the atmosphere and exposed to through the skin or respiratory tract, among various environmentally harmful substances. Typical exposure effects include negative effects on the nervous system. Therefore, this study was conducted for workers in industrial sites chronically exposed to low concentrations to confirm the effects of toluene, ethylbenzene, and xylene among VOCs on the nervous system. The effect on the nervous system was studied by dividing the exposure into toluene single and combined exposure to VOCs. A total of 117 workers were divided into 4 groups: A non-exposure group, toluene single exposure group, TX-exposure group, and TEX-exposure group. Then, lncRNA and miRNA expression and methylation levels were identified through various omics experiments, and mRNA and integrated analysis were performed to select lncRNA and genes. In addition, an animal (mouse) experiment was carried out to determine the exposure effect by controlling the exposure environment. Toluene was selected among the three VOCs as it is widely used in industrial fields and because its metabolite concentration in the study subjects was highest. After exposing mice to toluene under two (low/high concentration) conditions, behavioral tests were performed, and the expression of lncRNA and miRNA was confirmed using hippocampal tissue. Based on this, an integrated analysis was performed with the mRNA data. It was confirmed that exposure to VOCs had a negative effect on the development and maintenance of the nervous system. In particular, it was confirmed that lncRNA NEAT1 and MALAT1 were down-expressed by exposure to VOCs, which could make axon and synapse structures abnormal. Among them, in the case of NEAT1, the same expression pattern was confirmed in the mouse results (toluene high-exposure group). In addition, it could be confirmed that the up-expressed hsa-miR-15 family and hsa-miR-424-5p down-regulate ABL2 and CDC42, affecting the actin cytoskeleton, resulting in structural abnormalities in neurons. Moreover, it was directly confirmed that cognitive (memory) function and motor ability were decreased through the mouse behavior test. In conclusion, it was confirmed that exposure to VOCs can negatively affect the nervous system in various ways and have a more negative effect with a combined exposure. In other words, these findings serve as a foundation for the early prediction of neurodegenerative diseases that can be caused by exposure to VOCs. |환경유해물질은 일상생활 및 산업현장 등 어디에서나 쉽게 노출 될 수 있으며, 한가지의 유해물질에만 노출되는 것이 아닌 다양한 물질에 노출되는 것이 일반적이다. 이러한 환경유해물질은 다양한 질병의 원인이 될 수 있다. 다양한 환경유해물질 중 휘발성유기화합물은 대기중으로 쉽게 증발되어 피부 또는 호흡기를 통해 노출된다. 노출에 따른 대표적인 영향은 신경계에 부정적인 영향을 미치는 것이다. 따라서 본 연구는 휘발성유기화합물 중 톨루엔, 에틸벤젠, 및 자일렌이 신경계에 미치는 영향에 대해서 확인하기 위해 저농도 만성 노출된 산업현장의 근로자를 대상으로 톨루엔 단일 노출과 복합 노출로 나누어 신경계에 대한 영향을 연구하였다. 근로자 117명을 대상으로 4개의 그룹 (Non-exposure group, T-group, TX-group, 그리고 TEX-group)으로 구분하였다. 이후 다앙한 omics 실험을 통하여 lncRNA, miRNA 발현 및 메틸화 수준을 파악하고 mRNA와 통합 분석을 진행하여 최종적으로 lncRNA 및 유전자를 선정하고, 이를 바탕으로 인체내 미치는 영향에 대해서 분석하고 조사하였다. 추가적으로 노출 환경을 통제하여 좀 더 명확하게 노출이 미치는 영향에 대해서 확인 할 수 있는 동물(마우스)실험을 진행하였다. 3가지의 휘발성유기화합물 중 산업 현장에서 많이 사용되며, 대사체의 농도 중 가장 높은 툴루엔을 선택하였다. 마우스에 톨루엔을 2가지 조건(저/고농도)으로 노출 시킨 후 행동 검사를 진행하고 해마조직을 이용하여 lncRNA 및 miRNA의 발현을 확인하고 mRNA와 통합 분석을 진행하였다. 그 결과, 휘발성유기화합물에 노출이 되면 신경계 발달과 유지와 관련하여 부정적인 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 특히, 휘발성유기화합물 노출에 의해 lncRNA NEAT1 및 MALAT1이 하향 발현되어 axon 및 synapse의 구조를 비정상적으로 만들 수 있음을 확인하였다. 이 중 NEAT1의 경우 마우스 결과(톨루엔 고노출군)에서도 동일한 발현 패턴을 확인하였다. 또한 휘발성유기화합물 노출에 의해 상향 발현된 miR-15 family 및 miR-424-5p가 ABL2 및 CDC42를 하향 조절시켜 actin cytoskeleton에 영향을 주어 뉴런의 형태학적이상이 초래 될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라, 마우스 행동 검사를 통해 휘발성유기화합물에 노출되면 인지(기억) 기능 및 운동 능력이 감소됨을 직접적으로 확인하였다. 결론적으로 VOCs에 노출되면 다양한 측면으로 신경계 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 복합 노출일 때 더욱 부정적인 양향을 줄 수 있음을 확인하였다. 즉, 본 연구는 휘발성유기화합물 노출로 인해 발생할 수 있는 신경퇴행성질환을 사전에 예측 할 수 있는 기반이 될 것이다.