Oxidative stress mechanisms of hydroxyurea induced developmental toxicity in the organogenesis stage mouse embryo

Hydroxyurea was used as a model teratogen to investigate the role of oxidative stress and stress-response pathways in mediating drug teratogenicity. Hydroxyurea exposure during organogenesis induced fetal death and growth retardation, as well as external and skeletal malformations. Many of these malformations were concentrated in the caudal region, specifically affecting the hindlimbs, lumbosacral vertebrae, and tail. In utero exposure to hydroxyurea caused a depletion of glutathione, a major cellular antioxidant, and increased lipid peroxidation as assessed by the production of 4-hydroxynonenal protein adducts; interestingly, 4-hydroxynonenal protein adducts were enhanced within regions of high susceptibility to hydroxyurea-induced malformations. One of the major proteins modified by 4-hydroxynonenal adducts, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), is involved in energy metabolism; the formation of 4-hydroxynonenal-GAPDH-protein adducts led to a decrease in the enzymatic activity of GAPDH and a reduction in lactate formation. Under non-stress conditions, GAPDH was found in the cytoplasm; however, GAPDH was translocated into the nucleus following hydroxyurea exposure. Pharmacological inhibition of the nuclear translocation of GAPDH with deprenyl led to an enhancement of malformations, specifically those of the hindlimbs, lumbosacral vertebrae, and tail, without further depleting glutathione. Thus, GAPDH plays a protective role in the nucleus following oxidative stress-induced insult. In utero exposure to hydroxyurea led to a disruption in redox homeostasis in the embryo, oxidizing critical oxidoreductases, such as thioredoxin (TRX1) and GAPDH. The dysregulation in redox status stimulated the expression of nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) and its target gene peroxiredoxin 1 (Prdx1). Thioredoxin interacting protein (Txnip), an endogenous inhibitor of TRX1 was also upregulated. The major pathways activated following hydroxyurea exposure were apoptosis and cell cycle arrest. Many genes involved in these pathways are redox-sensitive, including mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and components of AP-1 signaling such as C-JUN. Cleaved PARP1 and cleaved caspase-3 immunoreactivity, markers of apoptosis, were dramatically enhanced following hydroxyurea treatment. Thus, the dysregulation in redox homeostasis and changes in embryonic gene expression contribute to hydroxyurea-induced developmental toxicity.L'hydroxyurée a été utilisé comme modèle tératogène afin d'étudier le rôle du stress oxydatif et les cascades moléculaires activées par ce stress, pouvant expliquer l'effet tératogène de médicament. Une exposition à l'hydroxyurée pendant l'organogenèse a entraîné la mort fœtale et un retard de croissance, ainsi que des malformations externes et squelettiques. Plusieurs de ces malformations étaient concentrées dans la région caudale, affectant particulièrement les membres postérieurs, les vertèbres lombo-sacrées et la queue. L'exposition in utero à l'hydroxyurée a causé une réduction du glutathion, un antioxydant cellulaire majeur, et l'augmentation de la peroxydation lipidique tel qu'évalué par la création de produits agglomérés de protéines 4 – hydroxynonénal. De plus, les agglomérations de la protéine 4 - hydroxynonénal ont augmenté dans les régions sensibles aux malformations par l'hydroxyurée. L'une des principales protéines modifiées par ces accumulations de 4 - hydroxynonénal, la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH), est impliquée dans le métabolisme de l'énergie. La formation des agglomérations de la protéine 4 – hydroxynonénal-GAPDH a mené à une diminution de l'activité enzymatique de GAPDH et une réduction de la formation de d'acide lactique. Sous des conditions non stressantes, GAPDH a été trouvé dans le cytoplasme mais suite à une exposition à l'hydroxyurée, GAPDH a été déplacé dans le noyau. L'inhibition pharmacologique de la translocation nucléaire de GAPDH avec déprényl a augmenté les malformations, plus spécifiquement celles des membres postérieurs, des vertèbres lombo-sacrée et la queue, sans réduire d'avantage la glutathion. Ainsi, GAPDH joue un rôle protecteur dans le noyau suivant un stress oxydatif.L'exposition in utéro à l'hydroxyurée a conduit à une perturbation de l'homéostasie d'oxydoréduction de l'embryon, en oxygénant d'importantes oxydoréductases, tels que la thiorédoxine (TRX1) et GAPDH. Le dysfonctionnement de l'état d'oxydoréduction a stimulé l'expression du facteur nucléaire tel que le dérivé des érythoïdes 2 (Nrf2) et son gène cible la péroxiredoxine 1 (Prdx1). La protéine de thiorédoxine (Txnip), un inhibiteur interne de la TRX1 a également été augmenté. Suite à une exposition à l'hydroxyurée, les principales cascades moléculaires activées étaient liées à l'apoptose et l'arrêt du cycle cellulaire. Plusieurs gènes impliqués dans ces mécanismes sont sensibles à l'oxydoréduction, incluant les kinases activées par les mitogènes (MAPKs) et les composants de la signalisation AP-1, tel que le C-JUN. L'immunoréactivité des formes actives de PARP1 et de caspase-3, des marqueurs d'apoptose, ont été considérablement augmentées après le traitement d'hydroxyurée. Ainsi, le dérèglement de l'homéostasie de l'oxydoréduction et les changements d'expression des gènes embryonnaires contribuent à la toxicité induite par l'hydroxyurée