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Tesi di dottorato
dott. Luca Tosti
Titolo: Characteriztion of biomarkers for teleost egg quality evaluation
Coordinatore: Prof.ssa Oliana Carnevali
Ciclo: VI° CICLO - NUOVA SERIE (XX CICLO)
Dottorato: Biologia ed Ecologia marina
- Abstract Versione italiana
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Nei vertebrati il comportamento riproduttivo, lo sviluppo della gonade, la deposizione delle uova, la fecondità e la fertilità sono controllati da molteplici fattori, alcuni esterni (es.fotoperiodo, temperatura) altri interni (es. livelli ormonali). L'alterazione di uno o più di questi stimoli comporta effetti negativi sulla riproduzione. Anche la qualità dei gameti femminili dipende da numerosi fattori, alcuni di essi intrinseci, altri relativi all'ambiente in cui le uova si sviluppano e maturano. Benché alcuni dei fattori responsabili della qualità delle uova sono noti, molti devono essere ancora individuati o il loro ruolo deve essere ancora chiarito. I principali obiettivi di questa tesi di dottorato sono rivolti a migliorare le conoscenze di base del processo di accrescimento e maturazione dei gameti femmili in diverse specie di teleostei. Utilizzando due modelli sperimentali, quali Danio rerio e Sparus aurata, sono state ampliate le conoscenze di base (espressione genica e attività enzimatiche) inerenti a molecole associate alla crescita e alla maturazione degli oociti (catepsine B, D e L). Per studiare le attività enzimatiche sono stati messi a punto degli specifici protocolli. In Sparus aurata sono stati ottenuti i profili di espressione genica delle catepsine durante l'oogenesi. Per capire meglio il rapporto di due stadi fisiologici concomitanti, quali, il secondo taglio proteolitico delle proteine del tuorlo e la ripresa della meiosi durante la rottura della vescicola germinativa (GVBD), è stato messo a punto un protocollo in vitro per la maturazione degli oociti di Danio rerio. I risultati ottenuti hanno evidenziato che la GVBD è un processo indipendente dal secondo taglio proteolitico delle componenti del tuorlo. Quest'ultimo, è un processo che dipende dall''attivazione enzimatica tempo- specifica regolata dall'acidificazione dei globuli di tuorlo. Inoltre, la caratterizzazione dei livelli funzionali delle attività enzimatiche delle catepsine ha reso possibile la loro applicazione come biomarkers nelle biotecnologie della criopreservazione degli oociti di teleostei di acqua dolce e marina. Attualmente non ci sono dei biomarkers validi per tutti i teleostei; infatti la valutazione della qualità delle uova può variare da specie a specie. Nel presente lavoro di tesi, Sparus aurata, è stato utilizzato come modello sperimentale per studiare il contenuto di alcuni messaggeri materni coinvolti nelle prime fasi di sviluppo embrionale. Il modello orata offre il vantaggio di produrre uova vitali galleggianti e uova non galleggianti incapaci di dare embrioni. I risultati hanno mostrato che, nelle uova galleggianti (di buona qualità) alti livelli dei fattori di sopravvivenza sono associati a bassi livelli dei fattori apoptotici al contrario in uova non galleggianti (di cattiva qualità), l'espressione dei fattori apoptotici che sono stati presi in considerazione (P53, IL-1, IL-8, TNFα, cathepsin L and cathepsin D) è significativamente più alta, mentre i livelli dei fattori di sopravvivenza (IGF-I and IGFBP2) sono significativamente più bassi. Questi risultati suggeriscono che nell'orata i geni studiati possono essere considerati dei validi biomarkers per valutare la qualità delle uova. Infine, nel presente lavoro di tesi, di dottorato è stato valutato l'effetto sulla riproduzione e sullo sviluppo embrionale di Danio rerio di un inquinante ambientale ampiamente diffuso ambienterei sitemi acquatico, il di-2-etilesil ftalato (DEHP). I risultati ottenuti hanno evidenziato un effetto negativo sulla riproduzione in particolare sul numero di gameti prodotti e sul tasso di schiusa. degli embrioni. Analisi in real time PCR e DNA microarray hanno evidenziato un effetto estrogenico del DEHP nella gonade e nel fegato di Danio rerio.
- Abstract Versione inglese (english version)
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Egg quality is affected by several factors, which are determined by the intrinsic properties of the egg itself and by the environment in which the egg grows and matures. Up to date, some of the factors that can influence egg's quality are known, but most of them are still to be highlighted. Usually the formation of a good quality egg is determined by the right achievement of several physical, genetic and chemical parameters, as well as the initial physiological processes occurring in the egg. The main objectives of this PhD thesis have been addressed with the purpose to increase knowledge in respect to egg quality, thereby; Basic information in regards of those molecules associated with oocyte growth and maturation (cathepsin B, D and L), in terms of gene expression timing and the relative enzymatic activity, were obtained in two experimental models Sparus aurata and Danio rerio. The enzymatic activities were investigated trough the development of specific biochemical assays. Moreover, gene expression of these molecules during oogenesis has been determined in Sparus aurata. Furthermore, in order to better understand the relation between two concomitant physiological steps, such as the second proteolytic yolk protein processing and the resumption of the meiosis during GVBD, an in vitro Danio rerio oocyte maturation protocol has been setup. These results indicated that the GVBD process is independent of the occurrence of the second proteolytic process and that yolk proteolysis is related to the temporal and specific activation of cathepsins by acidification of yolk spheres. These results taken together with previous results strengthen the use of cathepsins as biomarkers for egg quality evaluation. Furthermore, the characterization of the functional levels of cathepsin activities provided evidence for their possible application as biomarkers in the biotechnology applied to reproduction. As a matter of fact, these biomarkers have been used to monitor oocytes viability after manipulation and/or cryopreservation. Up to date there is little agreement for commonly shared egg quality biomarkers, thus there is the absence of standard protocols and/or biomarkers that can be generally applied to the large variety of teleosts; as a matter of fact egg quality evaluation may be different in different species. In the present thesis Sparus aurata has been used as experimental model in order to highlight possible differential presence of maternal messenger RNA in floating and non-floating eggs. The results obtained evidenced in sinking eggs (bad quality egg) a higher expression of apoptotic factors taken into account (P53, IL-1, IL-8, TNFα, cathepsin L and cathepsin D) and lower levels of survival ones (IGF-I and IGFBP2). Just the opposite was observed in floating eggs, in which high levels of survival factors were associated with low levels of apoptotic inducers. Therefore, the genes that have been here investigated can be considered suitable biomarkers for egg quality evaluation on gilthead sea bream. In vertebrates, reproductive behavior, gonad development, spawning, fecundity and fertility are influenced by a multitude of both external (e.g. photoperiod, temperature) and internal stimuli (e.g. hormonal levels). The alteration of one or more of these stimuli leads to adverse effects on reproduction. In my PhD thesis, for the first time on Danio rerio females, the effect of the EDC di-2-ethylhexyl phthalate (DEHP), via water exposure to (0.2, 2, 20, and 40 µg/L) has been evaluated. Overall the results obtained were similar to those obtained in the positive control group exposed to the synthetic oestrogen EE2. The results obtained evidenced the ability of DEHP in negatively influences Danio rerio female reproduction. In particular the negative biological effects have been assessed on hatching rate, GSI, plasma VTG levels, reproductive performance. Moreover, the molecular mechanisms by which DEHP exerts his negative reproductive effect has been evaluated by real time PCR on the ovarian gene expression of peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR-α and β), oestrogen receptor (ER-α and β1) and the aromatase CYP19a and by a DNA microarray analysis carried out on the liver. Effects have been found to be similar in both tissues, and since the similarity observed between EE2 and DEHP, in modulating the genes taken in account, the results here evidenced the ability of DEHP in mimicking oestrogens molecular and physiological effects.
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