Indução de defesas antioxidantes em ostras Crassostrea gigas

• Main Author: Danielli, Naissa Maria
• Other Authors: Dafre, Alcir Luiz, Bainy, Afonso Celso Dias, Universidade Federal de Santa Catarina
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: Portuguese
• Published: 2017
• Subjects: Bioquímica; Crassostrea gigas; Ostra; Criação; Antioxidantes; Claro; Pacific
• Online Access: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/178980

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Bioquímica, Florianópolis, 2017. Nrf2 (do inglês Nuclear factor erythroid 2-related factor 2) é um fator de transcrição essencial para a indução coordenada dos genes que codi-ficam enzimas de resposta ao estresse oxidativo, incluindo várias defe-sas antioxidantes e enzimas de biotransformação. Sua ação é dependente da ligação ao elemento de resposta antioxidante (ARE) na região promotora dos genes-alvo. A indução da via Nrf2/ARE oferece enorme potencial para a proteção antioxidante, no entanto, não há pesquisa sobre a ativação desta via em bivalves. Desta forma, o presente trabalho investigou a resposta antioxidante nas brânquias e glândula digestiva de ostras do Pacífico, Crassostrea gigas, tratadas com indutores da via Nrf2/ARE (curcumina ou tert-butilhidroquinona, tBHQ). Com a anotação do genoma da ostra Crassostrea gigas analisamos as regiões conservadas do gene do Nrf2 que revelou um domínio típico, a região cap 'n' colar. Os dados indicam que vários domínios, pertencentes ao modulador negativo do Nrf2 (Keap1, do inglês Kelch-like ECH-associated protein 1), também estão conservados em moluscos. Nossos estudos indicam que Nrf2 e Keap1 são conservados em ostras, pois o Keap1 apresentou um alto grau de homologia nas espécies selecionadas de moluscos e vertebrados, incluindo a presença de cisteínas redox-sensíveis que são cruciais para sua função. A análise filogenética agrupou tanto o Nrf2 quanto o Keap1 de C. gigas juntamente com outras sequências de moluscos, mas separadas de vertebrados e artrópodes. As ostras C. gigas foram expostas a 10 ou 30 µM de curcumina ou tBHQ, ativadores clássicos da via Nrf2/ARE, porém o número de cópias de mRNA de Nrf2 e Keap1 não foram modulados na brânquia. Estes dados indicam que estes compostos não modularam transcricionalmente Nrf2 ou Keap1. Apesar deste resultado negativo, a principal forma de ativação do Nrf2 envolve a oxidação das cisteínas sensíveis de seu modulador negativo (Keap1), permitindo seu acúmulo e translocação para o núcleo. Desta forma, ao analisarmos a resposta antioxidante, pode ser observada uma clara indução de defesas antioxidantes nas brânquias, as quais são sabidamente controladas pelo Nrf2. Noventa e seis horas após o início do tratamento, os animais expostos à curcumina (10 e 30 µM), tiveram um aumento nos níveis de ?-glutamil-L-cisteinilglicina (GSH), e na atividade glutationa redutase (GR), glutationa peroxidase (GPx), e glutationa S-transferase (GST). Por outro lado, a glândula digestiva não apresentou amplificação antio-xidante. Os níveis relativos de mRNA que codificam para a enzima glutamato-cisteína ligase, GR, MDR3 e GSTpi foram claramente indu-zidos pelo tratamento com curcumina (30 µM, 24 h). O pré-tratamento com curcumina durante 96 h aumentou a sobrevivência das ostras ao hidroperóxido de cumeno. Da mesma forma, ostras expostas à tBHQ por 96 h apresentaram um claro aumento nas defesas antioxidantes na brânquia e em menor intensidade na glândula digestiva. Esta resposta incluí aumento nos níveis de GSH, e na atividade GST, GPx e GR. Aumento na expressão do mRNA e proteína GR, também foram observadas após tratamento com tBHQ. Interessantemente, a diminuição na atividade GST, GPx e GR no início do tratamento (24 h) pode ser explicada pelo efeito inibitório da tBHQ ou de seus metabólitos. Esta conclusão é baseada na forte inibição in vitro da atividade GR, e em menor intensidade das atividades de GST e GPx. Apesar da ausência de aumento no mRNA do Nrf2, verificamos que: a) tanto o Nrf2 quanto o Keap1 são conservados filogeneticamente em bivalves; b) houve um aumento de defesas antioxidantes dependentes do Nrf2 após o tratamento com dois indutores clássicos do Nrf2 (curcumina ou tBHQ); c) houve uma clara modulação nos níveis de mRNA de vários genes alvos do Nrf2, e d) o tratamento com curcumina aumenta a resistência de ostras desafiadas com um oxidante. Em conjunto, estes dados indicam pela primeira vez a funcionalidade de Nrf2 em bivalves. Este trabalho apresenta novas informação sobre a via Nrf2/ARE em bivalves, as quais permitirão estudos mecanísticos relacionados as defesas antioxidantes e processos de biotransformação. Abstract : Nrf2 (Nuclear factor erythroid 2-related factor 2) is an essential transcription factor for the coordinated induction of genes encoding oxidative stress response enzymes, including several antioxidant defenses and biotransformation enzymes. Its action is dependent on the binding to the antioxidant response element (ARE) in the promoter region of the target genes. Induction of the Nrf2/ARE pathway offers enormous potential for antioxidant protection, however, there is no research on the activation of this pathway in bivalves. Thus, the present work investigated the antioxidant response in the gills and digestive gland of Pacific oysters, Crassostrea gigas, treated with inducers of the Nrf2/ARE pathway (curcumin or tert-butylhydroquinone, tBHQ). With the annotation of the genome of the Crassostrea gigas oyster we analyzed the conserved regions of the Nrf2 gene that revealed a typical domain, the cap 'n' colar region. The data indicate that several domains, belonging to the negative modulator of Nrf2 (Keap1), are also conserved in mollusks. Our studies indicate that Nrf2 and Keap1 are conserved in oysters because Keap1 presented a high degree of homology to selected species of molluscs and vertebrates, including the presence of redox-sensitive cysteines that are crucial for their function. Phylogenetic analysis grouped both the Nrf2 and Keap1 of C. gigas along with other mollusc sequences but separated from vertebrates and arthropods. C. gigas oysters were exposed to 10 or 30 µM curcumin or tBHQ, classical activators of the Nrf2 / ARE pathway, but the number of mRNA copies of Nrf2 and Keap1 were not modulated in the gill. These data indicate that these compounds do not transcriptally modulate Nrf2 or Keap1. Despite this negative result, the main form of activation of Nrf2 involves the oxidation of the sensitive cysteines of its negative modulator (Keap1), allowing its accumulation and translocation to the nucleus. Thus, when analyzing the antioxidant response, a clear induction of antioxidant defenses can be observed in the gills, which are known to be controlled by Nrf2. Ninety-six hours after initiation of treatment, animals exposed to curcumin (10 and 30 µM) had an increase in ?-glutamyl-L-cysteinyl glycine levels (GSH), and glutathione reductase (GR) activity, glutathione peroxidase (GPx), and glutathione S-transferase (GST). On the other hand, the digestive gland did not present antioxidant amplification. The relative levels of mRNA encoding glutamate-cysteine ligase, GR, MDR3 and GSTpi were clearly induced by curcumin treatment (30 µM, 24 h). Curcumin pre-treatment for 96 h increased oyster survival to cumene hydroperoxide. Likewise, oysters exposed to tBHQ for 96 h showed a clear increase in antioxidant defenses in the gill and lower intensity in the digestive gland. This response included increase in GSH levels, and in GST, GPx and GR activity. Increased mRNA and GR protein expression were also observed after treatment with tBHQ. Interestingly, the decrease in GST, GPx and GR activity at the start of treatment (24 h) may be explained by the inhibitory effect of tBHQ or its metabolites. This conclusion is based on the strong in vitro inhibition of GR activity, and on lower intensity of GST and GPx activity. Despite the lack of increase in the Nrf2 mRNA, we verified that: a) both Nrf2 and Keap1 are conserved phylogenetically in bivalves; B) there was a clear increase of Nrf2-dependent antioxidant defenses following treatment with two classic Nrf2 inducers (curcumin or tBHQ); C) there was a clear amplification at the mRNA level of various target genes of Nrf2, and d) curcumin treatment increased the resistance of oysters challenged with an oxidant. Together, these data indicate for the first time the functionality of Nrf2 in bivalves. This work presents new information about the Nrf2/ARE pathway in bivalves, which will allow mechanistic studies related to the antioxidant defenses and biotransformation processes.