Alterações neuroquímicas e comportamentais em resposta à exposição perinatal ao manganês em ratos e Caenorhabditis elegans

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Neurociências, Florianópolis, 2015A contaminação ambiental por metais é um fator de risco para asaúde pública, sendo o sistema nervoso central (SNC) um dos alvosdestes agentes tóxicos. Durante o desenvolvimento do SNC emhumanos, esta exposição pode estar relacionada a transtornos deaparecimento tardio. O manganês (Mn) é um metal essencial, porém emexcesso pode causar uma síndrome semelhante à doença de Parkinson,chamada manganismo. Este estudo teve por objetivo investigar se aexposição perinatal ao Mn durante um período específico dodesenvolvimento altera parâmetros neuroquímicos e comportamentaisde forma persistente. Para isso foram utilizados ratos Wistar machosneonatos e o verme nematódeo Caenorhabditis elegans no estágio larvalL1. Os ratos foram expostos a solução salina (controle) ou MnCI2 viaintraperitoneal (5, 10 ou 20 mg/kg/dia) do dia pós-natal (PND) 8 ao 12.Os testes comportamentais foram realizados no PND 60-65. Os ratosapresentaram prejuízo motor avaliado no teste do rotarod. A memória decurto prazo foi prejudicada, avaliada nos testes de reconhecimento deobjeto e reconhecimento social. A discriminação olfatória não foialterada pelo Mn. A análise bioquímica foi realizada no estriado e nohipocampo no PND 14 e 70. No PND 14 o tratamento com Mn induziuaumento da atividade de catalase no estriado e de glutationa peroxidase(GPx) no hipocampo. Foi observado também aumento dos níveis detirosina hidroxilase (TH) no estriado no PND 14. Na fase adultaobservamos redução dos níveis de tiois não-proteicos (NPSH) eaumento dos níveis de proteína glial fibrilar ácida (GFAP) no estriado eaumento da atividade de catalase e de GPx no hipocampo no PND 70. Otratamento com Mn causou redução dos níveis de TH estriatal no PND70 com elevação da fosforilação na Ser31, sugerindo uma ativaçãocompensatória da enzima em resposta à redução de seu conteúdo. Parainvestigar vias de sinalização que podem participar da toxicidade do Mnforam utilizados C. elegans selvagens (N2) e mutantes com perda defunção para proteínas das vias MAPKs e AKT. Os vermes foramexpostos ao Mn por 1 h na fase larval L1 utilizando concentrações de2,5 a 100 mM Mn. As cepas com perda de função em akt-1, akt-2 e sgk-1 apresentaram maior resistência ao Mn em comparação com o N2 noteste de viabilidade. Esta resistência pode estar relacionada com aresposta antioxidante. Os vermes N2 apresentaram queda dos níveis deGSH frente à exposição ao Mn, o que não ocorreu nos mutantes paraproteínas da via AKT. A exposição ao Mn induziu aumento daexpressão do gene que codifica o fator de transcrição SKN-1 nosmutantes akt-2 e a enzima antioxidante GCS-1 nos mutantes akt-1.Notavelmente, a expressão de sod-3 encontrava-se aumentada nosvermes akt-1 independente do tratamento com Mn. Porém os neurôniosdopaminérgicos foram degenerados de forma semelhante nos vermes N2e mutantes, avaliados pelo teste comportamental basal slowing eutilizando vermes que expressam proteína verde fluorescente (GFP) nosneurônios dopaminérgicos. Estes resultados sugerem que a via desinalização da AKT participa da toxicidade induzida pelo Mn sobre C.elegans devido ao seu papel de antagonizar os fatores de transcriçãoSKN-1 e DAF-16, que são importantes para a produção de enzimasantioxidantes nos vermes. Entretanto, este efeito não está presente nosneurônios dopaminérgicos. Este estudo documenta que a exposiçãoaguda ao Mn durante um período crítico do desenvolvimento neuralinduz disfunções cognitivas e motoras que duram até a idade adulta emratos. Estas disfunções foram acompanhadas por alterações no sistemade defesa antioxidante, tanto no hipocampo quanto no estriado ealteração no conteúdo e fosforilação de TH. Este estudo demonstra aimportância das vias de sinalização intracelular para a respostaantioxidante induzida pelo metal e caracteriza AKT como umimportante ponto de investigação dentro dos mecanismos de toxicidadeinduzida pelo Mn.Abstratc: Environmental contamination by metals is a risk factor forpublic health and the central nervous system (CNS) is one of the targetsof these toxic agents. Exposure during CNS development in humans isrelated to late onset damage. Manganese (Mn) is an essential metal, butin excess can cause a syndrome similar to Parkinson's disease, calledmanganism. This study aimed to investigate whether perinatal exposureto Mn in a specific developmental period would alter neurochemical andbehavioral parameters persistently. For this we used neonate maleWistar rats and the nematode worm Caenorhabditis elegans in the L1larval stage. Rats were exposed to saline (control) or intraperitonealMnCl2 (5, 10 or 20 mg/kg/day) from postnatal day (PND) 8 to 12. Thebehavioral tests were performed on PND 60-65. Rats exhibited motorimpairment evaluated in the rotarod test. The short-term memory wasimpaired, evaluated in the object recognition and social recognitiontests. The olfactory discrimination was not affected by Mn. Biochemicalanalysis was performed in striatum and hippocampus on PND 14 and70. On PND 14 Mn treatment induced an increase in catalase activity inthe striatum and glutathione peroxidase (GPx) in the hippocampus. Itwas also observed increased levels of tyrosine hydroxylase (TH) in thestriatum on PND 14. In adulthood we observed reduction in non-proteinthiols (NPSH) levels and increased glial fibrillary acidic protein (GFAP)levels in the striatum and increased catalase and GPx activity in thehippocampus on PND 70. Treatment with Mn caused reduction ofstriatal TH levels on PND 70 with increased phosphorylation at Ser31,suggesting a compensatory activation of the enzyme in response to thereduction of its content. To investigate signaling pathways involved inMn toxicity wild type (N2) and loss of function mutant (for proteins ofthe MAPK and AKT signaling pathways) C. elegans were used. Theworms were exposed to Mn for 1 h at the L1 larval stage usingconcentrations of 2.5 to 100 mM Mn. Strains with loss of function inakt-1, akt-2 and sgk-1 had higher resistance to Mn compared to N2 inthe survival test. This resistance may be related to the antioxidantresponse. The N2 worms had decreased levels of GSH after exposure toMn, which did not occur in AKT pathway mutants. Mn exposureinduced increase in the expression of the gene that codes SKN-1transcription factor in akt-2 mutants and GCS-1 antioxidant enzyme inakt-1 mutants. Notably, the expression of sod-3 was increased in theakt-1 mutant worms independent of Mn treatment. Howeverdopaminergic neurons were similarly degenerated in N2 and mutantworms, evaluated in the basal slowing response test and using wormsexpressing green fluorescent protein (GFP) in dopaminergic neurons.These results suggest that AKT signaling pathway participates in Mninducedtoxicity in C. elegans due to its role antagonizing thetranscription factors SKN-1 and DAF-16, which are important for theproduction of antioxidant enzymes in the worms. However, this effect isnot present in the dopaminergic neurons. This study documents thatacute exposure to Mn during a critical period of neural developmentinduces cognitive and motor dysfunctions that last into adulthood inrats. These disorders are accompanied by changes in the antioxidantdefense system, both in the hippocampus and in the striatum andchanges in the content and phosphorylation of TH. This studydemonstrates the importance of intracellular signaling pathways to theantioxidant response induced by Mn and features AKT as an importantpoint of research into the mechanisms of toxicity induced by Mn