Cardiac influence of the β3-adrenoceptor in the goldfish (Carassius auratus): a protective role under hypoxia?

The goldfish (Carassius auratus) exhibits a remarkable capacity to survive and remain active under prolonged and severe hypoxia, representing a well-suited model to study cardiac function when oxygen availability represents a limiting factor. Under hypoxia, the goldfish heart increases its performance, this representing a putative component of hypoxia tolerance; however, underlying mechanisms have not been yet elucidated. We aimed to investigate the role of β3-ARs in the mechanisms which modulate the goldfish heart performance, also in relation to oxygen levels. By western blotting analysis, we found that the goldfish heart expresses β3-ARs, and this expression increases under hypoxia. Effects of β3-ARs stimulation were analysed by using an ex vivo working heart preparation. Under normoxia, the β3-ARs selective agonist BRL37344 (10−12-10−7M) elicited a concentration-dependent increase of contractility abolished by the specific β3-AR antagonist (SR59230A; 10−8M), but not by α/β1/β2-ARs inhibitors (phentolamine, nadolol, and ICI118,551; 10−7M). Under acute hypoxia, BRL37344 did not affect the goldfish heart performance. However, SR59230A, but not phentolamine, nadolol, and ICI118,551, abolished the time-dependent enhancement of contractility which characterizes the hypoxic goldfish heart. Under both normoxia and hypoxia, adenylate cyclase and cAMP were found to be involved in the β3-ARs-dependent downstream transduction pathway. Our findings suggest the presence of functional β3-ARs in the goldfish heart, whose activation modulates the basal performance and contributes to the hypoxia-dependent increase of contractility

New southernmost record of the European Brook Lamprey, Lampetra planeri (Bloch, 1784) (Agnatha, Petromyzontidae)

We report the occurrence of the European Brook Lamprey, Lampetra planeri (Bloch, 1784), in the Lao river in the Calabria region (southern Italy). This record extends the species’ known distribution limit southwards. Information regarding some morphometric and ecological data are provided and discussed

Selenoprotein T as a new positive inotrope in the goldfish, Carassius auratus.

Selenoprotein T (SELENOT) is a thioredoxin-like protein, which mediates oxidoreductase functions via its redox active motif Cys-X-X-Sec. In mammals, SELENOT is expressed during ontogenesis and progressively decreases in adult tissues. In the heart, it is re-expressed after ischemia and induces cardioprotection against ischemia/reperfusion (I/R) injury. SELENOT is present in teleost fish, including the goldfish Carassius auratus. This study aimed to evaluate the cardiac expression of SELENOT, and the effects of exogenous PSELT (a 43-52 SELENOT derived-peptide) on the heart function of C. auratus, a hypoxia tolerance fish model. We found that SELENOT was expressed in cardiac extracts of juvenile and adult fish, located in the sarcoplasmic reticulum (SR) together with calsequestrin-2. Expression increased under acute hypoxia. On ex vivo isolated and perfused goldfish heart preparations, under normoxia, PSELT dose-dependently increased Stroke Volume (SV), Cardiac Output (Q̇), and Stroke Work (SW), by involving cAMP, PKA, L-type calcium channels, SERCA2a pumps, and pAkt. Under hypoxia, PSELT did not affect myocardial contractility. Only at higher concentrations (10−8 -10−7 M) an increase of SV and Q̇ was observed. It also reduced the cardiac expression of 3-NT, a tissue marker of nitrosative stress which increases under low oxygen availability. These data are the first to propose SELENOT 43-52, PSELT, as a cardiac modulator in fish, with a potential protective role under hypoxia

Cardiac plasticity in fish: the influence of humoral and environmental factors

Ph.D. Course in Life Sciences. Cycle XXXIl rimodellamento cardiaco è un fenomeno complesso che permette un’adeguata attività d’organo in risposta a cambiamenti fisiologici e patologici e coinvolge modificazioni a livello tissutale, cellulare e molecolare, secondo meccanismi ancora poco noti. Il cuore dei vertebrati mostra una notevole capacità di adattarsi funzionalmente alle richieste emodinamiche dell’organismo. Questa plasticità è esemplificata dalla modulazione “beat-to-beat” della contrattilità in risposta a cambiamenti del carico pressorio e volumetrico (risposta di Starling) e dal riarrangiamento morfo-funzionale adattativo. I maggiori determinanti della risposta plastica del cuore sono gli stimoli fisici come lo stress meccanico e lo stiramento dei miociti, o chimici, come ad esempio quelli esercitati da cardiomodulatori, inclusi i Peptidi Natriuretici (NPs), l’endotelina-1 (ET-1), l’Ossido Nitrico (NO) e l’Angiotensina II (AngII). Queste molecole attivano specifici circuiti endocrini/paracrini/autocrini responsabili del controllo omeostatico della funzione e della crescita cardiaca. Nei mammiferi, il cuore adulto è considerato un organo terminalmente differenziato nel quale la crescita e il rimodellamento avvengono per ipertrofia. Questo paradigma è stato recentemente confutato da evidenze che mostrano come, durante la normale crescita cardiaca, i miocardiociti adulti proliferano e muoiono. L’identificazione di stimoli e meccanismi che, attivando programmi genetici e/o metabolici silenti, possano permettere ai cardiomiociti di mammifero adulto di proliferare, è al momento tra gli scopi più importanti della ricerca cardiovascolare moderna. A tal riguardo un possibile approccio è quello di identificare esempi di plasticità cardiaca fra i vertebrati. Negli ultimi anni il cuore dei pesci ha rappresentato un importante strumento di ricerca per analizzare aspetti molecolari, cellulari e tissutali della plasticità cardiaca. Nei pesci, il cuore adulto conserva la capacità di crescita iperplastica in risposta a cambiamenti delle condizioni ambientali, all’esercizio fisico e alla maturità sessuale. Esempio estremo di questa plasticità è rappresentato dalla completa rigenerazione del cuore di zebrafish in seguito a rimozione chirurgica di una porzione del ventricolo. In una prospettiva traslazionale, i risultati di studi effettuati nei pesci potrebbero rappresentare uno strumento importante per decifrare i determinanti e i meccanismi coinvolti nel rimodellamento morfo-funzionale del cuore dei mammiferi. Partendo da queste premesse, questo progetto di tesi ha voluto valutare se e in che misura, fattori umorali e ambientali influenzano la plasticità cardiaca dei pesci. In particolare, in questa tesi di dottorato sono riportati e discussi i risultati ottenuti da studi relativi al controllo umorale del rimodellamento morfo-funzionale cardiaco mediato dall’esposizione cronica all’AngII nel cuore dell’anguilla europea Anguilla anguilla e dello zebrafish Danio rerio, e i meccanismi fisiologici e molecolari attivati nel cuore della carpa, Carassius carassius, in risposta all’ipossia. L’AngII, il prodotto bioattivo del Sistema Renina Angiotensina (RAS) è un potente ormone le cui azioni biologiche sono state ampiamente studiate nei mammiferi. A livello cardiaco, legandosi a recettori di tipo AT1 e AT2, l’AngII influenza positivamente la contrattilità miocardica e regola la crescita miocitaria. Un RAS omologo a quello dei mammiferi è presente anche nei pesci. In particolare, nei teleostei, l’AngII può indurre modificazioni cardiache a breve (modulazione della contrattilità) e lungo termine (rimodellamento morfo-funzionale). Nel 2013, Imbrogno e collaboratori hanno dimostrato che il cuore di anguille esposte per 4 settimane ad iniezioni intraperitoneali di AngII mostrava una migliore capacità di rispondere ad incrementi di post-carico. Quest’effetto era mediato dall’attivazione dei recettori AT2 e accompagnato da una differente espressione e localizzazione di proteine coinvolte nella regolazione della crescita e dell’apoptosi. Partendo da queste premesse, questo studio ha voluto meglio investigare le modificazioni strutturali e molecolari attivate nel cuore di anguille esposte per 8 settimane ad iniezioni intraperitoneali di AngII. Analisi morfologiche hanno evidenziato che i cuori di animali trattati mostravano un incremento della muscolarità ventricolare associato ad un aumento dello spessore del compatto e ad una riduzione degli spazi lacunari nello spugnoso. Queste modificazioni erano accompagnate da un’incrementata vascolarizzazione del compatto. Analisi di western blotting e immunofluorescenza hanno evidenziato un’aumentata espressione del recettore AT2 nei cuori di animali trattati, associata ad una diversa localizzazione: nei controlli AT2 localizza principalmente a livello miocitario mentre in seguito a trattamento, un segnale fluorescente si osserva a livello dell’endotelio endocardico. In relazione al ruolo cruciale svolto dallo NO nei meccanismi di regolazione del rimodellamento cardiaco nei pesci, lo studio ha voluto anche analizzare il cross-talk tra AngII e il sistema NO Sintasi (NOS)/NO. In condizioni basali, lo NO prodotto dalla NOS viene immediatamente metabolizzato a nitriti o nitrati. Per questa ragione, il dosaggio dei nitriti può essere utilizzato per misurare i livelli di NO prodotti dalla NOS e di conseguenza la funzionalità stessa dell’enzima. Il dosaggio dei nitriti, effettuato su omogenati di cuori di animali trattati con AngII ha evidenziato una riduzione significativa della concentrazione di nitriti rispetto ai controlli, indice di una ridotta attività della NOS. Analisi di western blotting non hanno evidenziato variazioni significative nei livelli di espressione della forma fosforilata (e quindi attiva) della NOS. Tuttavia, il trattamento ha influenzato la localizzazione dell’enzima fosforilato. Infatti, mentre nei controlli peNOS localizza sia nei miociti che a livello dell’endotelio endocardico (EE), nei trattati si osserva una maggiore localizzazione a livello miocitario e solo un debole segnale a livello endocardico. Questo dato è accompagnato da una maggiore espressione, a livello dell’EE, di NOSTRIN, un modulatore negativo della NOS, responsabile della traslocazione dell’enzima dalla membrana plasmatica all’interno di vescicole citoplasmatiche. Analisi di western blotting hanno anche evidenziato una riduzione nei livelli di espressione della chinasi Akt e dello chaperone HSP90, due tra i principali modulatori positivi della NOS. Nel complesso questi risultati dimostrano che il cuore di anguilla cronicamente esposto all’azione dell’AngII va incontro ad un riarrangiamento strutturale e ad una modulazione dei livelli di NO e delle proteine che regolano l’attività della NOS. Gli effetti cronici dell’AngII sono stati investigati anche nello zebrafish. Sebbene questo studio è ancora in corso, i primi risultati sperimentali dimostrano che anche il cuore di zebrafish va incontro ad un rimodellamento strutturale se esposto per 8 settimane all’azione dell’AngII. In particolare, i cuori trattati con AngII mostrano un incremento del compatto e una riduzione degli spazi lacunari, indicativi di un aumento della muscolarità ventricolare. Questo è associato ad un aumento del collagene e ad un significativo aumento del peso del cuore e dell’indice cardiosomatico (rapporto in percentuale tra il peso del cuore e il peso dell’animale). Analisi di western blotting hanno evidenziato inoltre un’aumentata espressione di entrambi i recettori AT1 e AT2 in omogenati cardiaci di animali trattati con AngII. La seconda parte della tesi ha analizzato i meccanismi fisiologici e molecolari attivati nella carpa in risposta all’ipossia. A differenza dei mammiferi, alcune specie di pesci, come ad esempio i ciprinidi, mostrano una notevole capacità di sopravvivere e restare attivi anche per lungo tempo se esposti a condizioni di ipossia o anossia. Questa capacità è legata alla loro abilità di mantenere o aumentare la performance cardiaca in risposta ad una riduzione di ossigeno ambientale, favorendo così gli scambi tra i tessuti. Inoltre, questi pesci sono in grado di convertire il lattato (prodotto ultimo della glicolisi) in etanolo, che è poi eliminato attraverso le branchie. Una caratteristica dei pesci è la loro capacità di captare, attraverso le branchie, nitriti e nitrati dall’acqua in cui si trovano; in condizioni di ipossia, quando l’attività della NOS è compromessa, i nitriti possono rappresentare un’importante fonte di NO che, a sua volta, interviene nei processi di citoprotezione. Sulla base di queste osservazioni, in collaborazione con il Prof. Jensen (Università di Odense) e la Prof.ssa Fago (Università di Aarhus), è stato avviato uno studio volto a valutare il ruolo dei nitrati e della mioglobina come fonti alternative di nitriti, e quindi di NO, nella carpa esposta per un giorno ad ipossia profonda (1<PO2<3 mmHg). Omogenati cardiaci e di muscolo rosso e bianco hanno evidenziato un aumento di nitriti e di altri metaboliti dello NO, quali Fe-nitrosile (FeNO) S-nitroso (SNO) e N-nitroso (NNO), sia nel cuore che nel muscolo rosso di carpe esposte ad ipossia. Questo incremento non era correlato a differenze nelle concentrazioni di mioglobina. Il dosaggio dell’attività nitrato reduttasica tissutale in omogenati di cuore, muscolo bianco e fegato, ha inoltre evidenziato che in condizioni di ipossia profonda, il muscolo e il fegato sono in grado di convertire il nitrato esterno in nitrito. Questa attività non è stata riscontrata nel cuore, dove risulta invece evidente una riduzione nelle concentrazioni di nitriti in risposta all’ipossia. Questi risultati supportano il ruolo dei nitriti come fonte alternativa per la generazione di NO durante l’ipossia; questo risulta maggiormente evidente in tessuti ricchi in mioglobina e mitocondri come il cuore, dove la conversione di nitriti a NO potrebbe rappresentare un importante meccanismo di cardioprotezione. Inoltre, in condizioni ipossiche, l’attività nitrato reduttasica riscontrata nel muscolo e nel fegato degli animali esposti ad ipossia potrebbe essa stessa supplementare le riserve intracellulari di nitriti contribuendo alla citoprotezione. In conclusione, i risultati riportati in questa tesi suggeriscono che se esposto a influenze umorali o ambientali il cuore dei pesci va incontro ad un significativo rimodellamento molecolare, strutturale e fisiologico. Sebbene molto resti ancora da chiarire sui meccanismi molecolari attivati, questi risultati indicano chiaramente un ruolo chiave svolto dal sistema NOS/NO come principale coordinatore/integratore di cascate molecolari che controllano le risposte cardiache adattative nei pesci. Ricerche future contribuiranno a meglio decifrare i complessi networks molecolari coinvolti nella plasticità cardiaca di questi vertebrati. In questo contesto, la scelta di modelli sperimentali appropriati, caratterizzati da una marcata adattabilità morfofunzionale ad una varietà di stimoli ambientali (temperatura, pH, pressione parziale di ossigeno, etc.) potrà essere di grande aiuto.University of Calabri

Hypoxic and Thermal Stress: Many Ways Leading to the NOS/NO System in the Fish Heart

Teleost fish are often regarded with interest for the remarkable ability of several species to tolerate even dramatic stresses, either internal or external, as in the case of fluctuations in O2 availability and temperature regimes. These events are naturally experienced by many fish species under different time scales, but they are now exacerbated by growing environmental changes. This further challenges the intrinsic ability of animals to cope with stress. The heart is crucial for the stress response, since a proper modulation of the cardiac function allows blood perfusion to the whole organism, particularly to respiratory organs and the brain. In cardiac cells, key signalling pathways are activated for maintaining molecular equilibrium, thus improving stress tolerance. In fish, the nitric oxide synthase (NOS)/nitric oxide (NO) system is fundamental for modulating the basal cardiac performance and is involved in the control of many adaptive responses to stress, including those related to variations in O2 and thermal regimes. In this review, we aim to illustrate, by integrating the classic and novel literature, the current knowledge on the NOS/NO system as a crucial component of the cardiac molecular mechanisms that sustain stress tolerance and adaptation, thus providing some species, such as tolerant cyprinids, with a high resistance to stress

The Hypoxia Tolerance of the Goldfish (Carassius auratus) Heart: The NOS/NO System and Beyond

The extraordinary capacity of the goldfish (Carassius auratus) to increase its cardiac performance under acute hypoxia is crucial in ensuring adequate oxygen supply to tissues and organs. However, the underlying physiological mechanisms are not yet completely elucidated. By employing an ex vivo working heart preparation, we observed that the time-dependent enhancement of contractility, distinctive of the hypoxic goldfish heart, is abolished by the Nitric Oxide Synthase (NOS) antagonist L-NMMA, the Nitric Oxide (NO) scavenger PTIO, as well as by the PI3-kinase (PI3-K) and sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2a (SERCA2a) pumps&rsquo; inhibition by Wortmannin and Thapsigargin, respectively. In goldfish hearts exposed to hypoxia, an ELISA test revealed no changes in cGMP levels, while Western Blotting analysis showed an enhanced expression of the phosphorylated protein kinase B (pAkt) and of the NADPH oxidase catalytic subunit Nox2 (gp91phox). A significant decrease of protein S-nitrosylation was observed by Biotin Switch assay in hypoxic hearts. Results suggest a role for a PI3-K/Akt-mediated activation of the NOS-dependent NO production, and SERCA2a pumps in the mechanisms conferring benefits to the goldfish heart under hypoxia. They also propose protein denitrosylation, and the possibility of nitration, as parallel intracellular events

Cardiac Hypoxia Tolerance in Fish: From Functional Responses to Cell Signals

Aquatic animals are increasingly challenged by O2 fluctuations as a result of global warming, as well as eutrophication processes. Teleost fish show important species-specific adaptability to O2 deprivation, moving from intolerance to a full tolerance of hypoxia and even anoxia. An example is provided by members of Cyprinidae which includes species that are amongst the most tolerant hypoxia/anoxia teleosts. Living at low water O2 requires the mandatory preservation of the cardiac function to support the metabolic and hemodynamic requirements of organ and tissues which sustain whole organism performance. A number of orchestrated events, from metabolism to behavior, converge to shape the heart response to the restricted availability of the gas, also limiting the potential damages for cells and tissues. In cyprinids, the heart is extraordinarily able to activate peculiar strategies of functional preservation. Accordingly, by using these teleosts as models of tolerance to low O2, we will synthesize and discuss literature data to describe the functional changes, and the major molecular events that allow the heart of these fish to sustain adaptability to O2 deprivation. By crossing the boundaries of basic research and environmental physiology, this information may be of interest also in a translational perspective, and in the context of conservative physiology, in which the output of the research is applicable to environmental management and decision making

Shaping the cardiac response to hypoxia: {NO} and its partners in teleost fish

none7: The reduced availability of dissolved oxygen is a common stressor in aquatic habitats that affects the ability of the heart to ensure tissue oxygen supply. Among key signalling molecules activated during cardiac hypoxic stress, nitric oxide (NO) has emerged as a central player involved in the related adaptive responses. Here, we outline the role of the nitrergic control in modulating tolerance and adaptation of teleost heart to hypoxia, as well as major molecular players that participate in the complex NO network. The purpose is to provide a framework in which to depict how the heart deals with limitations in oxygen supply. In this perspective, defining the relational interplay between the multiple (sets of) proteins that, due to the gene duplication events that occurred during the teleost fish evolutive radiation, do operate in parallel with similar functions in the (different) heart (districts) and other body districts under low levels of oxygen supply, represents a next goal of the comparative research in teleost fish cardiac physiology.noneSandra Imbrogno; Tiziano Verri; Mariacristina Filice; Amilcare Barca; Roberta Schiavone; Alfonsina Gattuso; Maria Carmela CerraImbrogno, Sandra; Verri, Tiziano; Filice, Mariacristina; Barca, Amilcare; Schiavone, Roberta; Gattuso, Alfonsina; Carmela Cerra, Mari

Angiotensin II dependent cardiac remodeling in the eel <em>Anguilla anguilla</em> involves the NOS/NO system

Angiotensin II (AngII), the principal effector of the Renin-Angiotensin System (RAS), plays an important role in controlling mammalian cardiac morpho-functional remodelling. In the eel Anguilla anguilla, one month administration of AngII improves cardiac performance and influences the expression and localization of molecules which regulate cell growth. To deeper investigate the morpho-functional chronic influences of AngII on the eel heart and the molecular mechanisms involved, freshwater eels (A. anguilla) were intraperitoneally injected for 2 months with AngII (1 nmol g BW-1). Then the isolated hearts were subjected to morphological and western blotting analyses, and nitrite measurements. If compared to control animals, the ventricle of AngII-treated hearts showed an increase in compacta thickness, vascularization, muscle mass and fibrosis. Structural changes were paralleled by a higher expression of AT2 receptor and a negative modulation of the ERK1-2 pathway, together with a decrease in nitrite concentration, indicative of a reduced Nitric Oxide Synthase (NOS)-dependent NO production. Moreover, immunolocalization revealed, particularly on the endocardial endothelium (EE) of AngII-treated hearts, a significant reduction of phosphorylated NOS detected by peNOS antibody accompanied by an increased expression of the eNOS disabling protein NOSTRIN, and a decreased expression of the positive regulators of NOS activity, pAkt and Hsp90. On the whole, results suggest that, in the eel, AngII modulates cardiac morpho-functional plasticity by influencing the molecular mechanisms that control NOS activity and the ERK1-2 pathway