Manganese: A New Emerging Contaminant in the Environment

Physiolog

Dosi citotossiche di manganese ed effetti sullo sviluppo embrionale. Modello sperimentale: Riccio di mare Paracentrotus lividus

DOSI CITOTOSSICHE DI MANGANESE ED EFFETTI SULLO SVILUPPO EMBRIONALE. MODELLO SPERIMENTALE: RICCIO DI MARE PARACENTROTUS LIVIDUS Annalisa Pinsino1, Francesca Trinchella2, Maria Carmela Roccheri1 1 Dipartimento di Biologia Cellulare e dello Sviluppo “A. Monroy”, Università degli Studi di Palermo, Italia 2 Dipartimento delle Scienze Biologiche, Università degli Studi di Napoli Federico II, Italia Il manganese (Mn) è uno degli elementi più abbondanti in natura, presente nelle rocce, nel suolo e nelle acque. E’ un elemento in traccia appartenente alla categoria dei nutrienti o metalli essenziali; utilizzato ed accumulato da tutte le forme di vita, è coinvolto nel normale funzionamento di meccanismi cellulari come la replicazione, la mineralizzazione e la protezione cellulare. D’altro canto, se la sua presenza è fondamentale per la vita, l’esposizione di cellule/organismi ad elevate concentrazioni di Mn causa tossicità. Il manganese rappresenta oggi, un “nuovo” importante fattore di contaminazione ambientale, conseguenza dell’intensa attività antropica dell’ultimo secolo. Il trattamento di embrioni di riccio di mare della specie Paracentrotus lividus con dosi citotossiche di Mn influisce sullo sviluppo embrionale producendo un alternativo morfotipo di sviluppo, attivando le principali MAPK (ERK e p38) coinvolte sia nella regolazione dello sviluppo che nello stress, provocando una modulazione nei livelli di sintesi delle principali proteine da stress HSC70 e HSC60. Nello specifico, troviamo che dosi crescenti di Mn (da 7,7 a 61,6 mg/L) provocano ritardi e malformazioni nello sviluppo embrionale secondo un andamento dose-effetto, chiaramente caratterizzato dall’aumento in frequenza del numero di embrioni con totale assenza o ridotto allungamento dello scheletro di CaCO3 (spicole). Il processo di spicologenesi sembra comunque ripristinarsi quando il Mn viene allontanato dal mezzo di coltura, per i diversi tempi di trattamento/ sviluppo, anche se dopo 40 ore di trattamento gli embrioni non riescono a recuperare il corretto disegno della struttura scheletrica. Mediante l’uso di marcatori territorio-specifici per i tre foglietti embrionali già differenziati in ecto-, meso- ed endoderma (anticorpi monoclonali Ecto V, UH2-95, 1D5) è stato osservato che tutti gli antigeni specifici per i vari territori sono presenti, sia negli embrioni controllo che negli embrioni trattati (61,6 mg Mn/L), in una posizione spaziale e per un tempo di sviluppo appropriato. Invece, le ibridazioni in situ per i trascritti codificanti per msp130, sm30 ed sm50 (geni espressi esclusivamente nelle cellule deputate alla secrezione delle spicole, PMC), hanno messo in evidenza, per i trattati, una forte inibizione nei livelli di espressione di sm30, l’unico dei tre geni che risponde a segnali mediati dalla matrice extracellulare. Inoltre, ERK e p38 rimangono nella forma fosforilata per tutto lo sviluppo degli embrioni trattati: questo risultato potrebbe dipendere da una quantità di calcio fisiologico non sufficiente a regolare gli eventi di fosfo-/defosforilazione delle MAPK, dovuto all’accumulo di Mn negli embrioni (AAS analisi). Per concludere l’accumulo di Mn negli embrioni di P. lividus stimola una duplice soluzione adattativa: attivazione di una risposta da stress e regolazione di pathways alternativi per consentire il proseguo dello sviluppo. http://www.unisi.it/eventi/gei/programma.pd

Vanadium Toxicity Monitored by Fertilization Outcomes and Metal Related Proteolytic Activities in Paracentrotus lividus Embryos

Metal pharmaceutical residues often represent emerging toxic pollutants of the aquatic environment, as wastewater treatment plants do not sufficiently remove these compounds. Recently, vanadium (V) derivatives have been considered as potential therapeutic factors in several diseases, however, only limited information is available about their impact on aquatic environments. This study used sea urchin embryos (Paracentrotus lividus) to test V toxicity, as it is known they are sensitive to V doses from environmentally relevant to very cytotoxic levels (50 nM; 100 nM; 500 nM; 1 uM; 50 uM; 100 uM; 500 uM; and 1 mM).We used two approaches: The fertilization test (FT) and a protease detection assay after 36 h of exposure. V affected the fertilization percentage and increased morphological abnormalities of both egg and fertilization envelope, in a dose-dependent manner. Moreover, a total of nine gelatinases (with apparent molecular masses ranging from 309 to 22 kDa) were detected, and their proteolytic activity depended on the V concentration. Biochemical characterization shows that some of them could be aspartate proteases, whereas substrate specificity and the Ca2+/Zn2+ requirement suggest that others are similar to mammalian matrix metalloproteinases (MMPs)

Cadmium induces the expression of specific stress proteins in sea urchin embryos

Marine organisms are highly sensitive to many environmental stresses, and consequently, the analysis of their bio-molecular responses to different stress agents is very important for the understanding of putative repair mechanisms. Sea urchin embryos represent a simple though significant model system to test how specific stress can simultaneously affect development and protein expression. Here, we used Paracentrotus lividus sea urchin embryos to study the effects of time-dependent continuous exposure to subacute/sublethal cadmium concentrations. We found that, between 15 and 24 h of exposure, the synthesis of a specific set of stress proteins (90, 72-70, 56, 28, and 25 kDa) was induced, with an increase in the rate of synthesis of 72-70 kDa (hsps), 56 kDa (hsp), and 25 kDa, which was dependent on the lengths of treatment. Recovery experiments in which cadmium was removed showed that while stress proteins continued to be synthesized, embryo development was resumed only after short lengths of exposure

Apoptosis during early development of sea urchin.

Apoptosis is a genetic program of cell death that eliminates superfluous or compromised cells during development and adult life of many organisms. In sea urchin embryos, apoptosis is not only a physiological event during larval metamorphosis, but also a process induced by cadmium accumulation or other stressor like TPA (12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate) followed by an increase of temperature to 31°C. Apoptosis is a highly conserved process usually operated by a proteolytic cascade that involves caspase activation by two different pathways: extrinsic and intrinsic. The first one involves membrane death receptors, while the second involves mitochondria. In this work we analyzed the possible involvement of extrinsic and intrinsic apoptotic pathways in physiological and stressful conditions in Paracentrotus lividus embryos. By fluorescent TUNEL assays we demonstrate that apoptosis is part of cadmium and TPA+31°C stress response. We find that Cd and TPA+31°C treatments induce apoptosis through caspase-3 activation, while caspase-7 is the main effector of physiological apoptosis. Caspase-10 is active only in physiological apoptosis, while caspase-8 is mainly involved in stress-induced apoptosis. In addition, we did not find any involvement of mitochondria. Moreover we observed, in Cd-treated embryos, a Reactive Oxygen Species (ROS) increase, that could be related to the induction of apoptosis