Μηχανισμοί μεταγωγής μηνυμάτων σε θαλάσσια ασπόνδυλα

Abstract

Marine bivalves of the intertidal zone, among them the mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis as well, are often exposed to various forms of stressful conditions. Mussels are considered to be an important biological pollution marker and they can be an ideal model for the study of the stress impact on the signal transduction mechanisms. However, to date no extensive research has been made yet on this field. Therefore, the main aim of the present study has been set on elucidating the signal transduction pathways of M. galloprovincialis, after exposure to stress. Stress was applied on the whole organism. In the organismic level, the survival ability and the physiological responses of the animals were studied. Respectively, in the cellular level, the triggering of MAPKs’ signal transduction pathways was investigated, as well as their substrates and their activation profile. In the molecular level, cellular response via specific transcription factors was examined, as well as induction of particular genes and apoptotic phenomena, such as PARP cleavage and DNA fragmentation. Our results show that hyperthermia induces p38-MAPK and JNKs phosphorylation in the gill tissue, however with a different profile and intense. When activated, both kinases were found to translocate into the nucleus. It was revealed that p38-MAPK is involved in the activation of ATF-2 and NFκB, whereas JNKs are involved in the phosphorylation of c-Jun and ATF-2. It was also found that both MAPKs participate in the induction of protective genes, such as MTs and Hsp70 genes. Confirming to the protective role of p38-MAPK and JNKs during hyperthermia was the finding of early PARP cleavage, hallmark event of apoptosis, when the aforementioned MAPKs were inhibited. This is the first time that PARP cleavage is reported in the Mytilidae family. The possible effect of season on the cellular response to thermal stress was also a matter of investigation. Our results showed that season may affect p38-MAPK phosphorylation levels after exposure to hyperthermia or hypothermia, as well as the Hsp70 induction levels. In the following step, we tried to define the outcome of p38-MAPK activation after exposure to heavy metals in the mantle and gill cells. It was found that activation of this pathway leads to mobilization of protective molecules, Hsp70 and metallothioneins in the gill tissue and conversely, to the induction of apoptotic events, such as caspase-3 cleavage and DNA fragmentation in the mantle. These results reveal a tissue-specific kind of cellular response to stress. It was also found that osmotic stress induces phosphorylation of p38-MAPK and a mild phosphorylation of JNKs. An increase of HSP70 levels was also detected. Seasonal effect on the cellular response to hypertonicity and hypotonicity was examined as well. It was revealed that p38-MAPK phosphorylation levels are affected by season, whereas Hsp70 levels are not. These results hopefully contribute to the attempt of clarifying signal transduction pathways in M. galloprovincialis cells, since they assist on elucidating important physiological mechanisms and their final outcome.

Τα δίθυρα μαλάκια της μεσοπαλιρροιακής ζώνης, μεταξύ των οποίων και το μύδι Mytilus galloprovincialis, εκτίθενται συχνά σε διάφορες μορφές περιβαλλοντικού στρες. Στόχος της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση των μονοπατιών μεταγωγής μηνυμάτων στο θαλάσσιο ασπόνδυλο M. galloprovincialis μετά την επίδραση στρες σε επίπεδο ολόκληρου οργανισμού, προκειμένου να αποσαφηνιστούν σημαντικοί μηχανισμοί της φυσιολογίας του. Σε επίπεδο οργανισμού, μελετήθηκαν η δυνατότητα επιβίωσης και οι φυσιολογικές αποκρίσεις των ατόμων του είδους M. galloprovincialis κάτω από στρεσογόνες συνθήκες. Αντίστοιχα, σε επίπεδο κυττάρου, διερευνήθηκαν τα επαγόμενα σηματοδοτικά μονοπάτια των MAPKs, τα υποστρώματά τους καθώς και το πρότυπο ενεργοποίησής τους ενώ σε μοριακό επίπεδο, διερευνήθηκε η απόκριση συγκεκριμένων μεταγραφικών παραγόντων, η επαγωγή της έκφρασης ορισμένων γονιδίων καθώς και αποπτωτικά φαινόμενα όπως η θραύση του παράγοντα PARP και η θραύση του DNA. Διαπιστώθηκε ότι η υπερθερμία επάγει την ενεργοποίηση τόσο της p38-MAPK όσο και των JNKs στα βράγχια του οργανισμού. Αφού οι κινάσες ενεργοποιηθούν, βρέθηκε ότι μετατοπίζονται στον πυρήνα του κυττάρου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η p38-MAPK σχετίζεται με την ενεργοποίηση των ATF-2 και NFκΒ ενώ οι JNKs με την ενεργοποίηση του c-Jun και του ATF-2. Βρέθηκε ακόμη ότι οι p38-MAPK και JNKs στα κύτταρα των βραγχίων συμμετέχουν στην επαγωγή της μεταγραφής γονιδίων με προστατευτικό ρόλο, όπως τα γονίδια της Hsp70 και των μεταλλοθειονινών. Η θραύση του PARP ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά σε οργανισμούς της οικογένειας Mytilidae στην παρούσα μελέτη. Ακολούθως, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ανάλογα με την εποχή μπορεί να επηρεάζονται τα επίπεδα φωσφορυλίωσης της p38-MAPK μετά από επίδραση υπερθερμίας ή υποθερμίας, καθώς και η ένταση της επαγωγής της Hsp70. Για να διαπιστωθεί το πρότυπο ενεργοποίησης της p38-MAPK μετά την επίδραση βαρέων μετάλλων στο μανδύα και τα βράγχια, εξετάστηκε η επίδραση αντίστοιχων πειραματικών συνθηκών. Βρέθηκε ότι η ενεργοποίηση αυτού του μονοπατιού οδηγεί στα μεν βράγχια στην κινητοποίηση προστατευτικών μορίων, όπως η Hsp70 και οι μεταλλοθειονίνες, ενώ στο μανδύα στην εκδήλωση αποπτωτικών γεγονότων, όπως η ενεργοποίηση της κασπάσης-3 και η θραύση του DNA. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι υπάρχει ιστοειδικότητα στην απόκριση. Εξετάζοντας στη συνέχεια τις επαγόμενες από το ωσμωτικό στρες αποκρίσεις, διαπιστώθηκε επαγωγή της φωσφορυλίωσης της p38-MAPK και σε μικρότερο βαθμό των JNKs, ενώ παρατηρήθηκε και αύξηση των επιπέδων της Hsp70. Αντίθετα, ούτε το υπερωσμωτικό ούτε το υποωσμωτικό στρες βρέθηκε να επάγουν τη μεταγραφή των γονιδίων των μεταλλοθειονινών στις εξεταζόμενες συνθήκες. Τα παραπάνω αποτελέσματα συμβάλλουν στη διαλεύκανση των επαγόμενων από διάφορες μορφές στρες μονοπατιών μεταγωγής μηνυμάτων στα κύτταρα του θαλάσσιου ασπονδύλου M. galloprovincialis, καθώς συντελούν στη διευκρίνηση και τον προσδιορισμό φυσιολογικών μηχανισμών που κινητοποιούνται κάτω από αυτές τις συνθήκες.