Molecular signals of exposure to environmental pollutants, metabolic health and physical inactivity

Abstract

The environment encompasses the totality of the conditions we live in ranging from environmental pollution to social conditions and lifestyle features. Such environmental factors are already long-time acknowledged to be involved in all aspects of health and disease. Nevertheless, it remains largely unknown how they can impact biological systems. While environmental factors may not immediately trigger the manifestation of adverse health outcomes, they may provoke reactions at the molecular level. Such adaptations at the molecular level can initiate / be part of / be a consequence of a cascade of cellular events that may be triggered by the environmental stressor. They may result in adaptations of physiological functions and they may as such ultimately affect health. Molecular alterations hereby may provide insights in the mechanism underlying exposure-related health effects and may point out the toxicological potential of environmental factors. As such, the identification of early molecular signs of biological effects remains pivotal in understanding the health consequences of the diversity of environmental factors. Population-based studies investigate human risks in a real life context. Therefore, population-based studies as used in this doctoral dissertation generate along with toxicological approaches the ultimate evidence to evaluate causative mechanisms and risks of a broad range of environmental factors. The specific objectives of this dissertation were to investigate:  the association between particulate matter exposure and salivary extracellular miR-146a and miR-222, which were previously reported to be responsive to particulate matter exposure, in primary school children (chapter 2).  the association between exposure to toxic metals, organochlorines and perfluorinated compounds and placental mitochondrial DNA (mtDNA) content using a multipollutant approach in newborns (chapter 3).  the association between exposure to toxic metals, organochlorines and perfluorinated compounds and biomarkers of aging using a multipollutant approach in adults (chapter 4).  the association between neonatal levels of the metabolic hormones insulin and leptin, which reflect the metabolic status of the newborn, and cord blood mtDNA content (chapter 5). SUMMARY vii  the association between indicators of physical (in)activity, including BMI, selfreported screen time and out-of-school sports activities, and salivary extracellular miR-146a and miR-222 expression, which are involved in cardiometabolic health, in primary school children (chapter 6). In this PhD project we specifically studied molecular markers that can be indicative of early biological effects and that were valuable due to their dynamic nature and their relevance for the mechanism underlying possible health effects. Extracellular miRNAs embody a mode of intercellular communication implemented in various physiological as well as pathological processes. We observed associations between extracellular miRNA levels in children’s saliva and ultrafine particulate matter exposure (chapter 2) and screen time (chapter 6). These findings contribute to evidence on (i) the novel hypothesis suggesting involvement of extracellular miRNAs in communication of cellular burden of particulate matter exposure, which may explain systemic effects upon exposure; (ii) the involvement of extracellular miR-222 and miR-146a in cardiometabolic processes; (iii) the vulnerability of children for environmental effects, that may be translated to adverse health outcomes in later life, as indicated by changes in extracellular miRNA levels. Maintenance of mitochondrial function, which can be exemplified by mtDNA content, and telomere length is pivotal for normal cellular functioning. We showed that placental mtDNA content (chapter 3), as well as mtDNA content and telomere length in adults (chapter 4) are associated with environmental pollutant exposure. Our findings promote the understanding of (i) the particular sensitivity of mitochondria and telomeres to environmental pollutants, even at low concentrations; (ii) the influence of exposure to multiple pollutants that should be studied in a multipollutant context. Additionally we found that neonatal mtDNA content was associated with neonatal levels of metabolic hormones (chapter 5). This contributes to the current insights in the relation between metabolic disturbances and altered mitochondrial function by exemplifying that a link may already be established from birth onwards.

De omgeving of het milieu omvat het geheel van de omstandigheden waarin we ons bevinden, gaande van milieuvervuiling tot sociale omstandigheden en leefstijl. Het is reeds lang geweten dat dergelijke omgevingsfactoren betrokken zijn bij zeer veel aspecten van gezondheid en ziekte. Desondanks is het voor de meeste omgevingsfactoren nog steeds niet geweten op welke manier ze biologische functies en gezondheid kunnen verstoren. De verstoring van de gezondheid komt meestal pas later tot uiting en dus niet gelijktijdig met de blootstelling of kort erna. Omgevingsblootstellingen kunnen echter wel sneller moleculaire veranderingen teweegbrengen die de fysiologische processen kunnen verstoren. Dergelijke moleculaire effecten kunnen de oorzaak of het gevolg zijn van, of deel uitmaken van, een reeks cellulaire processen die tot stand komen als een gevolg van de omgevingsfactoren. Op deze manier kunnen de moleculaire effecten bijdragen aan een verandering in fysiologische systemen, en uiteindelijk leiden tot gezondheidsproblemen. Moleculaire veranderingen kunnen zo de kennis verrijken over de werkingsmechanismen waarmee omgevingsfactoren zorgen voor gezondheidsproblemen en over hun toxicologisch potentieel. Het identificeren van vroegtijdige moleculaire veranderingen blijft dus uitermate belangrijk om de gezondheidsrisico’s van de verschillende omgevingsfactoren te herkennen en te begrijpen. Observationele studies onderzoeken risicofactoren voor de mens zoals ze in het echte leven voorkomen. Populatieonderzoeken, zoals gebruikt in dit doctoraatsonderzoek, vormen samen met toxicologische studies dan ook het ultieme wetenschappelijke bewijs om de onderliggende mechanismen en gezondheidsrisico’s van omgevingsfactoren te evalueren. De specifieke doelstellingen van deze thesis waren het onderzoeken van:  de associatie tussen fijn stof blootstelling en extracellulaire miRNAs in speeksel bij kinderen, meer specifiek miR-146a en miR-222 die reeds door andere studies bij volwassenen in verband werden gebracht met fijn stof blootstelling (hoofdstuk 2).  de associatie tussen blootstelling aan toxische metalen, organische chloorverbindingen en perfluors en de mitochondriale DNA (mtDNA) inhoud van de placenta bij pasgeborenen, aan de hand van een multipollutie benadering (hoofdstuk 3). de associatie tussen blootstelling aan toxische metalen, organische chloorverbindingen en perfluors en moleculaire merkers voor veroudering, meer specifiek de mtDNA inhoud en telomeerlengte, bij volwassenen, aan de hand van een multipollutie benadering (hoofdstuk 4).  de associatie tussen het gehalte van de metabole hormonen insuline en leptine, die de metabole toestand van de pasgeborene weerspiegelen, en de mtDNA inhoud van het navelstrengbloed (hoofdstuk 5).  de associatie tussen indicatoren voor fysieke (in)activiteit, waaronder BMI en de gerapporteerde scherm-tijd en buitenschoolse sportactiviteiten, en extracellulaire miRNAs in speeksel bij kinderen, meer specifiek miR-146a en miR-222 die gelinkt zijn aan de cardiometabole gezondheid (hoofdstuk 6). We onderzochten moleculaire merkers die bijzonder bruikbaar zijn omwille van hun dynamische karakter, wat aangeeft dat ze kunnen reageren op omgevingsfactoren, en hun belang in het werkingsmechanisme voor mogelijke gezondheidseffecten. Extracellulaire miRNAs maken deel uit van een vorm van communicatie tussen cellen, die is beschreven voor zowel normale fysiologische alsook pathologische processen in ons lichaam. We toonden een associatie tussen extracellulaire miRNAs in speeksel van kinderen en de blootstelling aan ultrafijn stof (hoofdstuk 2) en scherm-tijd (hoofdstuk 6) aan. Deze resultaten dragen bij aan de kennis over (i) de recente hypothese die stelt dat extracellulaire miRNAs betrokken zijn bij communicatie tussen cellen m.b.t. gevolgen van fijn stof blootstelling; (ii) de betrokkenheid van extracellulair miR-222 en miR-146a voor cardiometabole gezondheidsuitkomsten; (iii) de bijzondere gevoeligheid van kinderen voor omgevingsfactoren, hier weergegeven door de veranderingen in extracellulaire miRNAs die mogelijks vertaald kunnen worden naar ongunstige gezondheidsuitkomsten later in het leven. Behoud van mitochondriale functie en telomeerlengte is van groot belang voor normaal functioneren van de cel. We toonden dat de mtDNA inhoud van de placenta (hoofdstuk 3), alsook de mtDNA inhoud en telomeerlengte bij volwassenen (hoofdstuk 4) geassocieerd zijn met milieuvervuilende stoffen. Onze bevindingen dragen bij aan de inzichten in (i) de bijzondere gevoeligheid van de mitochondriën en telomeren voor vervuilende stoffen, zelfs bij lage concentraties; (ii) de invloed van gelijktijdige blootstelling aan milieuvervuilende stoffen die onderzocht zou moeten worden volgens een multipollutie benadering. Bovendien toonden we aan dat de mtDNA inhoud geassocieerd was met de concentraties van metabole hormonen bij pasgeborenen (hoofdstuk 5). Dit draagt bij aan de huidige kennis over de relatie tussen metabole balans en de mitochondriale functie, door aan te tonen dat een verband tussen beiden reeds van bij de geboorte aanwezig is.