DNA double-strand breaks in relation to organohalogenated contaminants in arctic seabird species

Abstract

Organohalogenerte miljøgifter (OHCs) har blitt assosiert med ugunstige effekter på DNA- integriteten, noe som kan føre til alvorlige biologiske konsekvenser både på individ-og populasjonsnivå. Hensikten med denne studien er å undersøke potensielle genotoksiske effekter i form av DNA dobbeltrådbrudd (DNA-DSBs) indusert av OHCs-eksponering i tre arktiske sjøfuglarter fra Kongsfjorden, Svalbard: ærfugl (Somateria mollissima), krykkje (Rissa tridactyla) og polarmåke (Larus hyperboreus).

Hele blodceller ble brukt til å analysere DNA-DSBs ved bruk av agarose gel- elektroforese. Både den migrerte fraksjonen av total DNA (DNA-FTM) og median molekylær lengde (MML) ble kvantifisert. Det var signifikante forskjeller mellom artene når det gjelder nivåer av DNA-FTM og MML. Imidlertid ga de forskjellige beregningene motstridende resultater med hensyn til nivåer av DNA-skade. Krykkje viste de høyeste nivåene av DNA- FTM, etterfulgt av ærfugl og polarmåke. I motsetning til dette var MML lavest hos ærfugl, etterfulgt av polarmåke og krykkje, noe som indikerer at ærfugl hadde de høyeste nivåene av DNA-skader. Hele blodceller fra ærfugl og polarmåke ble analysert for 77 forskjellige OHCs. Polarmåke hanner viste de høyeste forurensningsnivåene etterfulgt av polarmåke hunner og ærfugl hunner.

Det ble ikke funnet noen signifikant assosiasjon mellom miljøgifter og DNA-FTM eller MML i ærfugl. For polarmåke hanner, var en signifikant negativ assosiasjon mellom miljøgifter (OCPs, PCB I + II, PCB III, PCB IV og MeSO2) og MML funnet. Dette antyder at hanner med høyere nivåer av miljøgifter også har høyere nivåer av DNA-skader, mens polarmåke hunner ser ut til å være mindre utsatt for miljøgift-induserte effekter på DNA-integriteten. En negativ assosiasjon mellom PCB I + II og DNA-FTM funnet i polarmåke hunner indikerer en gunstig effekt av PCB-eksponering på DNA-integritet. Variasjonen i assosiasjonen mellom miljøgifter og DNA-skade mellom arter og mellom kjønn i polarmåke, kan forklares ved at miljøgifter kun fører til en genotoksisk effekt over en viss konsentrasjonsgrense. En alternativ forklaring ligger i ulik investering og effektivitet av forsvarsmekanismer. Til slutt kan adaptive responser på kronisk miljøgifteksponering påvirke resultatene presentert i denne studien.

Denne studien belyser viktigheten av miljøgift-assosierte effekter på den genetiske helsen til arktiske sjøfuglbestander. Ytterligere studier bør fokusere på å belyse de cellulære mekanismene som er ansvarlige for å opprettholde DNA-integriteten i sjøfuglarter utsatt for flere miljøstressorer.

Organohalogenated contaminants (OHCs) have been associated with adverse effects on DNA integrity, which may result in severe biological consequences on both an individual and population level. This study aimed to investigate the potential genotoxic effects induced by OHC exposure in terms of DNA double-strand breaks (DNA-DSBs) in three arctic seabirds species in Kongsfjorden, Svalbard: the common eider (Somateria mollissima), the black-legged kittiwake (Rissa tridactyla), and the glaucous gull (Larus hyperboreus).

DNA-DSBs in whole-blood cells were analysed using agaroses gel electrophoresis. Both the migrated fraction of total DNA (DNA-FTM) and median molecular length (MML) were quantified. There were significant differences between species in levels of DNA-FTM and MML. However, the different measurements gave contradicting results with respect to levels of DNA damage. Kittiwakes showed the highest levels of DNA-FTM, followed by eiders and glaucous gulls. In contrast the MML was lowest in eiders, followed by glaucous gulls and black- legged kittiwakes, indicating common eiders had the highest levels of DNA damage. Whole- blood cells from common eiders and glaucous gulls were analysed for 77 different OHCs. Glaucous gull males showed the highest contaminant levels followed by glaucous gull and common eider females.

No significant association was found between contaminants and DNA-FTM or MML in common eiders. For glaucous gull males, a significant negative association between contaminants (OCPs, PCB I+II, PCB III, PCB IV, and MeSO2) and MML was found. This suggests that males with higher levels of contaminants also have higher levels of DNA-damage, whilst glaucous gull females seem to be less susceptible to contaminant-induced effects on DNA integrity. Moreover, a negative association between PCB I+II and DNA-FTM found in glaucous gulls indicates a favourable effect of PCB exposure on DNA integrity. The variability in the association between contaminants and DNA damage between species and between sexes within glaucous gull, could be explained by contaminants only having a genotoxic effect when above a certain concentration threshold. An alternative explanation is differences in both investment in and efficiency of cellular defence. Finally, adaptive responses to chronic contaminant exposure might influence the results presented in this study.

This study highlights importance of contaminant-associated effects on the genetic health of arctic seabird populations. Further studies should focus on elucidating the cellular mechanisms maintaining DNA integrity in seabird species exposed to multiple environmental stressors.