Risposte molecolari e cellulari dei sistemi di biotrasformazione e delle difese antiossidanti in organismi marini modello

Antioxidant and biotransformation pathways are known for their responsiveness to environmental stressors, hence they are used in marine organisms as biomarkers of contamination, measured at level of both catalytic activity and gene transcription. However, the mechanisms of modulation of these systems and the relationships between transcriptional and functional responses are still partially unclear in non-mammalian species. To investigate such mechanisms two model species were selected, the eel A. anguilla and the mussel M. galloprovincialis, as representative of vertebrate and invertebrate marine organisms. Laboratory exposures to complex mixtures of contaminants revealed different responses dependent on the species, the tissue and the specific enzymatic system. Catalytic responses of biotransformation enzymes were often comparable to the corresponding transcriptional responses; antioxidant responses frequently displayed a lack of correspondence between transcription and catalytic level, suggesting independent mechanisms of regulation at molecular and biochemical levels. In mammalian, antioxidant genes are regulated by the Nrf2 transcription factor and its inhibitor Keap1. The identification of Nrf2 and Keap1 in A. anguilla confirmed that such pathway of regulation of antioxidant defences is conserved in marine species. Oxidative pressure generated in experimental conditions leaded to the coordinate regulation of antioxidant genes and transcriptional activation of Nrf2 and Keap1 genes. Furthermore, our results suggest the importance of Nrf2 de novo synthesis for the protracted induction of target genes, and a possible role for Keap1 in switching off the response. The overall results indicated that transcriptional responses might be sensitive but do not necessarily correspond to functional changes, being more useful as “exposure” rather than “effect” biomarkers, and provided useful insights on mechanisms of antioxidant responses in marine species.

I sistemi antiossidanti e della biotrasformazione sono noti per la sensibilità di risposta agli stress ambientali, pertanto negli organismi marini vengono usati come biomarkers della contaminazione, misurati a livello di attività catalitica e/o di espressione genica. Tuttavia, i meccanismi di modulazione di questi sistemi e le relazioni tra risposte trascrizionali e funzionali sono ancora in parte sconosciuti nelle specie marine. Per approfondire tali meccanismi sono state utilizzate due specie, l’anguilla A. anguilla e il mitilo M. galloprovincialis, rappresentative di vertebrati ed invertebrati marini. Esposizioni di laboratorio a miscele di contaminanti hanno evidenziato differenze di risposta dipendenti da specie, tessuto e sistema enzimatico analizzato. Le risposte catalitiche degli enzimi della biotrasformazione sono risultate comparabili alle corrispondenti risposte trascrizionali; le risposte antiossidanti hanno mostrato una mancanza di corrispondenza tra variazioni trascrizionali e catalitiche, suggerendo meccanismi di regolazione indipendenti a livello biochimico e genico. Nei mammiferi, i geni antiossidanti sono regolati dal fattore di trascrizione Nrf2 e dal suo inibitore Keap1. L’identificazione di Nrf2 e Keap1 in A. anguilla ha confermato che tale via di regolazione è conservata nelle specie marine. I risultati ottenuti in condizioni sperimentali di pressione ossidativa evidenziano la regolazione coordinata dei geni antiossidanti e l’attivazione trascrizionale di Nrf2 e Keap1, suggerendo inoltre l’importanza della sintesi de novo di Nrf2 per l’induzione prolungata dei geni target e un possibile ruolo di Keap1 nello spegnimento della risposta. Nel complesso, i risultati indicano che le risposte trascrizionali possono essere sensibili ma non corrispondono necessariamente a effetti funzionali, risultando più utili come biomarkers “di esposizione” che “di effetto”, e ampliano la conoscenza dei meccanismi di risposta antiossidante nelle specie marine.