Rotenone Neurotoxicity Causes Dopamine Neuron Loss in Zebrafish

Main Article Content

Simon Martel
Jonathan Y Keow
Marc Ekker

Abstract

ABSTRACT:

Objectives: We sought to determine whether rotenone, a commonly used pesticide, exhibits neurotoxicity in zebrafish by causing dopamine neuron loss through rotenone-induced oxidative damage. Methods: We exposed transgenic zebrafish embryos expressing green fluorescent protein under the control of the cis-regulatory elements of dopamine transporter (dat) to rotenone to determine the neurotoxic effects of rotenone on dopamine neuron abundance and pattern distribution, as well as the presence of apoptotic markers. The oxidative stress potential of rotenone on embryos was assessed using a live MitoSOX Red assay, and behavioural testing on adult zebrafish was assessed using video recordings of midline crossing events. Results: Zebrafish embryos treated with rotenone displayed a 50% reduction in dopamine neurons in the ventral diencephalon when exposed to 30µM rotenone (n=6, p<0.001), and rotenone-exposed zebrafish raised to adulthood demonstrate an anxiety-like behaviour (n=5, p<0.01). Furthermore embryos exposed to rotenone also demonstrated a logarithmic increase in markers of oxidative damage (n=3, p<0.001) and apoptotic activity in their diencephalic neurons. Conclusions: These results show that rotenone can induce dopamine neuron loss in zebrafish, providing a useful model for studying the environmental causes of Parkinson’s disease.

 

RÉSUMÉ:

Objectif: Nous cherchons à déterminer si la roténone, un élément commun dans les pesticides, démontre de la neurotoxicité dans les poissons-zèbres en causant une perte de dopamine dans leurs neurones à travers le dommage oxydatif induit par la roténone. Méthode: Nous avons exposé des embryons de poissons-zèbres transgéniques qui expriment la protéine fluorescente verte sous le contrôle d’éléments cis-régulateurs des transporteurs sélectifs de dopamine (dat) à la roténone pour déterminer les effets neurotoxiques de ce dernier sur les niveaux dopaminergiques dans leurs neurones. De plus, nous avons évalué la présence de marqueurs apoptotiques. Le stress oxydatif potentiel de la roténone sur les embryons a été analysé par le « live MitoSOX Red assay » et les tests comportementaux sur les poissons-zèbres adultes furent analysés en utilisant des enregistrements vidéo. Résultats: Les embryons de poissons-zèbres qui ont été traités avec la roténone ont démontré une réduction de dopamine de 50% dans les neurones localisés dans le diencéphale ventral, quand exposés à 30µM de roténone (n=6, p<0.001). Ils ont également illustré une augmentation logarithmique dans les marqueurs de dommage oxydatif (n=3, p<0.001) et une activité apoptotique dans les neurones du diencéphale. Les poissons-zèbres exposés à de la roténone qui ont atteint l’âge adulte ont démontré des comportements d’anxiété (n=5, p<0.01). Conclusion: Les résultats démontrent que la roténone peut induire une perte dopaminergique dans les neurones des poissons-zèbres. Ces résultats s’avèrent utiles pour étudier davantage les causes environnementales reliées à la maladie de Parkinson.

Article Details

Section
Research
Author Biographies

Jonathan Y Keow, University of Ottawa

Centre for Advanced Research in Environmental Genomics (CAREG), Department of Biology

Marc Ekker, University of Ottawa

Centre for Advanced Research in Environmental Genomics (CAREG), Department of Biology

References

1. Kitada T, Tomlinson JJ, Ao HS, et al. Considerations regarding the etiology and future treatment of autosomal recessive versus idiopathic Parkinson disease. Curr Treat Options Neurol. 2012;14(3):230-240.

2. Mayeux R. Epidemiology of neurodegeneration. Annu Rev Neurosci. 2003;26:81-104.

3. Van Den Eeden SK, Tanner CM, Bernstein AL, et al. Incidence of Parkinson’s Disease: Variation by Age, Gender, and Race/Ethnicity. Am J Epidemiol. 2003;157(11):1015-22.

4. Nagatsu T. Amine-related neurotoxins in Parkinson’s disease: past, present, and future. Neurotoxicol Teratol. 2002;24(5):565-569.

5. Tanner CM, Kamel F, Ross GW, et al. Rotenone, Paraquat and Parkinson’s Disease. Environ Health Perspect. 2011;119(6):866-872.

6. Best JD, Alderton WK. Zebrafish: An in vivo model for the study of neurological diseases. Neuropsychiatr Dis Treat. 2008;4(3):567-576.

7. McGrath P and Li CQ. Zebrafish: a predictive model for assessing drug-induced toxicity. Drug Discov. Today. 2008;13(9-10):394-401.

8. Parng C, Roy NM, Ton C, et al. Neurotoxicity assessment using zebrafish. J. Pharmacol. Toxicol. Methods. 2007;55(1):103-112.

9. Xi Y, Ryan J, Noble S, et al. Impaired dopaminergic neuron development and locomotor function in zebrafish with loss of pink1 function. Eur. J. Neurosci. 2010;31(4):623-633.

10. Wen L, Wei W, Gu W, et al. Visualization of monoaminergic neurons and neurotoxicity of MPTP in live transgenic zebrafish. Dev Biol. 2008;314(1):84-92.

11. Smeyne RJ, Jackson-Lewis V. The MPTP model of Parkinson’s disease. Brain Res Mol Brain Res. 2005;134(1):57-66

12. Haehner A, Hummel T, Reichmann H. Olfactory Loss in Parkinson’s Disease. Parkinson’s Disease. 2011;2011:450939.

13. Cavaco S, Gonçalves A, Mendes A, et al. Abnormal Olfaction in Parkinson’s Disease Is Related to Faster Disease Progression. Behavioural Neurology. 2015;2015:976589.

14. Li N, Ragheb K, Lawler G, Sturgis J, Rajwa B, Melendez JA, Robinson JP. Mitochondrial complex I inhibitor rotenone induces apoptosis through enhancing mitochondrial reactive oxygen species production. J Biol Chem. 2003;278(10):8516-8525.

15. Cannon JR, Tapias V, Na HM, et al. A highly reproducible model of Parkinson’s disease. Neurobiol Dis. 2009;34(2):279-290.

16. Thiffault C, Langston JW, Di Monte DA. Increased striatal dopamine turnover following acute administration of rotenone to mice. Brain Res. 2000;885:283–288.

17. Pan-Montojo F, Anichtchik O, Dening Y, Knels L, Pursche S, et al. Progression of Parkinson’s Disease Pathology Is Reproduced by Intragastric Administration of Rotenone in Mice. PLoS ONE. 2010;5(1): e8762

18. Inden M, Kitamura Y, Abe M, Tamaki A, Takata K, Taniguchi T. Parkinsonian rotenone mouse model: reevaluation of long-term administration of rotenone in C57BL/6 mice. Biol Pharm Bull. 2011;34(1):92-6

19. Bretaud S, Lee S, Guo S. Sensitivity of zebrafish to environmental toxins implicated in Parkinson’s disease. Neurotoxicol Teratol. 2004;26(6):857-864.

20. Xi Y, Yu M, Godoy R, et al. Transgenic zebrafish expressing green fluorescent in dopaminergic neurons of the ventral diencephalon. Dev Dyn. 2011;240(11):2539-2547.

21. Mugoni V, Camporeale A, Santoro MM. Analysis of oxidative stress in zebrafish embryos. J Vis Exp. 2014;89.

22. Noble S, Ismail A, Godoy R, et al. Zebrafish Parla- and Parlb-deficiency affects dopaminergic neuron patterning and embryonic survival. J Neurochem. 2012;122(1):196-207.

23. Maximino C, Silva AWB, Araújo J, et al. Fingerprinting of Psychoactive Drugs in Zebrafish Anxiety-Like Behaviours. PLoS One. 2014;9(7)e103943.

24. Nutt JG, Carter JH, Sexton GJ. The dopamine transporter: importance in Parkinson’s disease. Ann Neurol. 2004;55(6):766-773.

25. Sallinen V, Torkko V, Sundvik M, et al. MPTP and MPP+ target specific aminergic cell populations in larval zebrafish. J Neurochem. 2009;108(3):719-731.

26. Schneider F, Althaus A, Backes V, et al. Psychiatric symptoms in Parkinson’s disease. Eur Arch Psychiatry Clin Neurosci. 2008;258 Suppl 5:55-9.

27. Kordower JH, Olanow CW, Dodiya HB, et al. Disease duration and the integrity of the nigrostriatal system in Parkinson’s disease. Brain. 2013;136(8):2419-2431.

28. Miyazaki I, Asanuma M. Dopaminergic neuron-specific oxidative stress caused by dopamine itself. Acta Med Okayama. 2008;62(3):141-50.