Copper- and arsenate-induced oxidative stress in Holcus lanatus L. clones with differential sensitivity

The biochemical responses of Holcus lanatus L. to copper and arsenate exposure were investigated in arsenate-tolerant and -non-tolerant plants from uncontaminated and arsenic/copper-contaminated sites. Increases in lipid peroxidation, superoxide dismutase (SOD) activity and phytochelatin (PC) production were correlated with increasing copper and arsenate exposure. In addition, significant differences in biochemical responses were observed between arsenate-tolerant and -non-tolerant plants. Copper and arsenate exposure led to the production of reactive oxygen species, resulting in significant lipid peroxidation in non-tolerant plants. However, SOD activity was suppressed upon metal exposure, possibly due to interference with metallo-enzymes. It was concluded that in non-tolerant plants, rapid arsenate influx resulted in PC production, glutathione depletion and lipid peroxidation. This process would also occur in tolerant plants, but by decreasing the rate of influx, they were able to maintain their constitutive functions, detoxify the metals though PC production and quench reactive oxygen species by SOD activity.

Discovery of DNA hypermethylation using a DHPLC screening strategy

Promoter hypermethylation is recognized as a hallmark of human cancer, in addition to conventional mechanisms of gene inactivation. As such, many new technologies have been developed over the past two decades to uncover novel targets of methylation and decipher complex epigenetic patterns. However, many of these are either labor intensive or provide limited data, confined to oligonucleotide hybridization sequences or enzyme cleavage sites and cannot be easily applied to screening large sets of sequences or samples. We present an application of denaturing high performance liquid chromatography (DHPLC), which relies on bisulfite modification of genomic DNA, for methylation screening. We validated DHPLC as a methylation screening tool using GSTP1, a well known target of methylation in prostate cancer. We developed an in silico approach to identify potential targets of promoter hypermethylation in prostate cancer. Using DHPLC, we screened two of these targets LGALS3 and SMAD4 for methylation. We show that DHPLC has an application as a fast, sensitive, quantitative and cost effective method for screening novel targets or DNA samples for DNA methylation.

The emerging roles of DNA methylation in the clinical management of prostate cancer

Aberrant DNA methylation is one of the hallmarks of carcinogenesis and has been recognized in cancer cells for more than 20 years. The role of DNA methylation in malignant transformation of the prostate has been intensely studied, from its contribution to the early stages of tumour development to the advanced stages of androgen independence. The most significant advances have involved the discovery of numerous targets such as GSTP1, Ras-association domain family 1A (RASSF1A) and retinoic acid receptor beta2 (RARbeta2) that become inactivated through promoter hypermethylation during the course of disease initiation and progression. This has provided the basis for translational research into methylation biomarkers for early detection and prognosis of prostate cancer. Investigations into the causes of these methylation events have yielded little definitive data. Aberrant hypomethylation and how it impacts upon prostate cancer has been less well studied. Herein we discuss the major developments in the fields of prostate cancer and DNA methylation, and how this epigenetic modification can be harnessed to address some of the key issues impeding the successful clinical management of prostate cancer.

In silico mining identifies IGFBP3 as a novel target of methylation in prostate cancer

Promoter hypermethylation is central in deregulating gene expression in cancer. Identification of novel methylation targets in specific cancers provides a basis for their use as biomarkers of disease occurrence and progression. We developed an in silico strategy to globally identify potential targets of promoter hypermethylation in prostate cancer by screening for 5' CpG islands in 631 genes that were reported as downregulated in prostate cancer. A virtual archive of 338 potential targets of methylation was produced. One candidate, IGFBP3, was selected for investigation, along with glutathione-S-transferase pi (GSTP1), a well-known methylation target in prostate cancer. Methylation of IGFBP3 was detected by quantitative methylation-specific PCR in 49/79 primary prostate adenocarcinoma and 7/14 adjacent preinvasive high-grade prostatic intraepithelial neoplasia, but in only 5/37 benign prostatic hyperplasia (P < 0.0001) and in 0/39 histologically normal adjacent prostate tissue, which implies that methylation of IGFBP3 may be involved in the early stages of prostate cancer development. Hypermethylation of IGFBP3 was only detected in samples that also demonstrated methylation of GSTP1 and was also correlated with Gleason score > or =7 (P=0.01), indicating that it has potential as a prognostic marker. In addition, pharmacological demethylation induced strong expression of IGFBP3 in LNCaP prostate cancer cells. Our concept of a methylation candidate gene bank was successful in identifying a novel target of frequent hypermethylation in early-stage prostate cancer. Evaluation of further relevant genes could contribute towards a methylation signature of this disease.

Intersectin is a negative regulator of dynamin recruitment to the synaptic endocytic zone in the central synapse

Intersectin is a multidomain dynamin-binding protein implicated in numerous functions in the nervous system, including synapse formation and endocytosis. Here, we demonstrate that during neurotransmitter release in the central synapse, intersectin, like its binding partner dynamin, is redistributed from the synaptic vesicle pool to the periactive zone. Acute perturbation of the intersectin-dynamin interaction by microinjection of either intersectin antibodies or Src homology 3 (SH3) domains inhibited endocytosis at the fission step. Although the morphological effects induced by the different reagents were similar, antibody injections resulted in a dramatic increase in dynamin immunoreactivity around coated pits and at constricted necks, whereas synapses microinjected with the GST (glutathione S-transferase)-SH3C domain displayed reduced amounts of dynamin in the neck region. Our data suggest that intersectin controls the amount of dynamin released from the synaptic vesicle cluster to the periactive zone and that it may regulate fission of clathrin-coated intermediates.

Amphiphysin is a component of clathrin coats formed during synaptic vesicle recycling at the lamprey giant synapse

Amphiphysin is a protein enriched at mammalian synapses thought to function as a clathrin accessory factor in synaptic vesicle endocytosis. Here we examine the involvement of amphiphysin in synaptic vesicle recycling at the giant synapse in the lamprey. We show that amphiphysin resides in the synaptic vesicle cluster at rest and relocates to sites of endocytosis during synaptic activity. It accumulates at coated pits where its SH3 domain, but not its central clathrin/AP-2-binding (CLAP) region, is accessible for antibody binding. Microinjection of antibodies specifically directed against the CLAP region inhibited recycling of synaptic vesicles and caused accumulation of clathrin-coated intermediates with distorted morphology, including flat patches of coated presynaptic membrane. Our data provide evidence for an activity-dependent redistribution of amphiphysin in intact nerve terminals and show that amphiphysin is a component of presynaptic clathrin-coated intermediates formed during synaptic vesicle recycling.

Label-free based quantitative proteomics analysis of primary neonatal porcine Leydig cells exposed to the persistent contaminant 3-methylsulfonyl-DDE

Evidence that persistent environmental pollutants may target the male reproductive system is increasing. The male reproductive system is regulated by secretion of testosterone by testicular Leydig cells, and perturbation of Leydig cell function may have ultimate consequences. 3-Methylsulfonyl-DDE (3-MeSO₂-DDE) is a potent adrenal toxicants formed from the persistent insecticide DDT. Although studies have revealed the endocrine disruptive effect of 3-MeSO₂-DDE, the underlying mechanisms at cellular level in steroidogenic Leydig cells remains to be established. The current study addresses the effect of 3-MeSO₂-DDE on viability, hormone production and proteome response of primary neonatal porcine Leydig cells. The AlamarBlue™ assay was used to evaluate cell viability. Solid phase radioimmunoassay was used to measure concentration of hormones produced by both unstimulated and Luteinizing hormone (LH)-stimulated Leydig cells following 48h exposure. Protein samples from Leydig cells exposed to a non-cytotoxic concentration of 3-MeSO₂-DDE (10μM) were subjected to nano-LC-MS/MS and analyzed on a Q Exactive mass spectrometer and quantified using label-free quantitative algorithm. Gene Ontology (GO) and Ingenuity Pathway Analysis (IPA) were carried out for functional annotation and identification of protein interaction networks. 3-MeSO₂-DDE regulated Leydig cell steroidogenesis differentially depending on cell culture condition. Whereas its effect on testosterone secretion at basal condition was stimulatory, the effect on LH-stimulated cells was inhibitory. From triplicate experiments, a total of 6804 proteins were identified in which the abundance of 86 proteins in unstimulated Leydig cells and 145 proteins in LH-stimulated Leydig cells was found to be significantly regulated in response to 3-MeSO₂-DDE exposure. These proteins not only are the first reported in relation to 3-MeSO₂-DDE exposure, but also display small number of proteins shared between culture conditions, suggesting the action of 3-MeSO₂-DDE on several targeted pathways, including mitochondrial dysfunction, oxidative phosphorylation, EIF2-signaling, and glutathione-mediated detoxification. Further identification and characterization of these proteins and pathways may build our understanding to the molecular basis of 3-MeSO₂-DDE induced endocrine disruption in Leydig cells.

Placental antioxidant enzyme status and lipid peroxidation in pregnant women with type 1 diabetes: The effect of vitamin C and E supplementation

AIM: In view of the increased rates of pre-eclampsia observed in diabetic pregnancy and the lack of ex vivo data on placental biomarkers of oxidative stress in T1 diabetic pregnancy, the aim of the current investigation was to examine placental antioxidant enzyme status and lipid peroxidation in pregnant women with type 1 diabetes. A further objective of the study was to investigate the putative impact of vitamin C and E supplementation on antioxidant enzyme activity and lipid peroxidation in type 1 diabetic placentae.

METHODS: The current study measured levels of antioxidant enzyme [glutathione peroxidase (Gpx), glutathione reductase (Gred), superoxide dismutase (SOD) and catalase] activity and degree of lipid peroxidation (aqueous phase hydroperoxides and 8-iso-prostaglandin F2α) in matched central and peripheral samples from placentae of DAPIT (n=57) participants. Levels of vitamin C and E were assessed in placentae and cord blood.

RESULTS: Peripheral placentae demonstrated significant increases in Gpx and Gred activities in pre-eclamptic in comparison to non-pre-eclamptic women. Vitamin C and E supplementation had no significant effect on cord blood or placental levels of these vitamins, nor on placental antioxidant enzyme activity or degree of lipid peroxidation in comparison to placebo-supplementation.

CONCLUSION: The finding that maternal supplementation with vitamin C/E does not augment cord or placental levels of these vitamins is likely to explain the lack of effect of such supplementation on placental indices including antioxidant enzymes or markers of lipid peroxidation.

Novel functional interaction between the plasma membrane Ca2+ pump 4b and the proapoptotic tumor suppressor Ras-associated factor 1 (RASSF1)

Plasma membrane calmodulin-dependent calcium ATPases (PMCAs) are enzymatic systems implicated in the extrusion of calcium from the cell. We and others have previously identified molecular interactions between the cytoplasmic COOH-terminal end of PMCA and PDZ domain-containing proteins. These interactions suggested a new role for PMCA as a modulator of signal transduction pathways. The existence of other intracellular regions in the PMCA molecule prompted us to investigate the possible participation of other domains in interactions with different partner proteins. A two-hybrid screen of a human fetal heart cDNA library, using the region 652-840 of human PMCA4b (located in the catalytic, second intracellular loop) as bait, revealed a novel interaction between PMCA4b and the tumor suppressor RASSF1, a Ras effector protein involved in H-Ras-mediated apoptosis. Immunofluorescence co-localization, immunoprecipitation, and glutathione S-transferase pull-down experiments performed in mammalian cells provided further confirmation of the physical interaction between the two proteins. The interaction domain has been narrowed down to region 74-123 of RASSF1C (144-193 in RASSF1A) and 652-748 of human PMCA4b. The functionality of this interaction was demonstrated by the inhibition of the epidermal growth factor-dependent activation of the Erk pathway when PMCA4b and RASSF1 were co-expressed. This inhibition was abolished by blocking PMCA/RASSSF1 association with an excess of a green fluorescent protein fusion protein containing the region 50-123 of RASSF1C. This work describes a novel protein-protein interaction involving a domain of PMCA other than the COOH terminus. It suggests a function for PMCA4b as an organizer of macromolecular protein complexes, where PMCA4b could recruit diverse proteins through interaction with different domains. Furthermore, the functional association with RASSF1 indicates a role for PMCA4b in the modulation of Ras-mediated signaling.

Beneficial Effects of Berberine on Oxidized LDL-induced Cytotoxicity in Human Retinal Müller Cells

PURPOSE. Limited mechanistic understanding of diabetic retinopathy (DR) has hindered therapeutic advances. Berberine, an isoquinolone alkaloid, has shown favorable effects on glucose and lipid metabolism in animal and human studies, but effects on DR are unknown. We previously demonstrated intraretinal extravasation and modification of LDL in human diabetes, and toxicity of modified LDL to human retinal M¨uller cells. We now explore pathogenic effects of modified LDL on M¨uller cells, and the efficacy of berberine in mitigating this cytotoxicity. METHODS. Confluent human M¨uller cells were exposed to in vitro–modified ‘highly oxidized, glycated (HOG-) LDL versus native-LDL (N-LDL; 200 mg protein/L) for 6 or 24 hours, with/ without pretreatment with berberine (5 lM, 1 hour) and/or the adenosine monophosphate (AMP)-activated protein kinase (AMPK) inhibitor, Compound C (5 lM, 1 hour). Using techniques including Western blots, reactive oxygen species (ROS) detection assay, and quantitative real-time PCR, the following outcomes were assessed: cell viability (CCK-8 assay), autophagy (LC3, Beclin-1, ATG-5), apoptosis (cleaved caspase 3, cleaved poly-ADP ribose polymerase), oxidative stress (ROS, nuclear factor erythroid 2-related factor 2, glutathione peroxidase 1, NADPH oxidase 4), angiogenesis (VEGF, pigment epithelium-derived factor), inflammation (inducible nitric oxide synthase, intercellular adhesion molecule 1, IL-6, IL-8, TNF-a), and glial cell activation (glial fibrillary acidic protein). RESULTS. Native-LDL had no effect on cultured human M¨uller cells, but HOG-LDL exhibited marked toxicity, significantly decreasing viability and inducing autophagy, apoptosis, oxidative stress, expression of angiogenic factors, inflammation, and glial cell activation. Berberine attenuated all the effects of HOG-LDL (all P < 0.05), and its effects were mitigated by AMPK inhibition (P < 0.05). CONCLUSIONS. Berberine inhibits modified LDL-induced M¨uller cell injury by activating the AMPK pathway, and merits further study as an agent for preventing and/or treating DR.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Efeitos genotóxicos e bioquímicos de xenobióticos em animais aquáticos

No presente trabalho, foi estudado um largo espectro de efeitos genotóxicos e bioquímicos na tainha-garrento (Liza aurata). Nos Capítulos II e III são descritos os efeitos de exposição de curta duração ao fenantreno, um hidrocarboneto aromático policíclico (HAP). A exposição de curta duração (16 horas) demonstrou a capacidade deste composto induzir a actividade da enzima de fase I da biotransformação, etoxiresorufina O-desetilase (EROD), provocar decréscimos de integridade no ADN hepático e aumento de anomalias nucleares eritrocíticas (ANE). Em termos de respostas de stresse, os níveis plasmáticos de cortisol e glucose aumentaram face à exposição a este HAP. A exposição ao fenantreno induziu o decréscimo da glutationa peroxidase (GPx) nas guelras, enquanto que no fígado a actividade da GPx aumentou. No rim, a actividade da glutationa S-transferase (GST) foi inibida. Nas guelras, verificou-se um aumento da catalase. O fenantreno demonstrou igualmente a capacidade de induzir um aumento dos níveis de glutationa nas guelras e fígado. Estas respostas demonstraram a sensibilidade de L. aurata, a este HAP, realçando a especificidade das respostas em termos de órgãos. Apesar dos aumentos das defesas antioxidantes, o potencial tóxico deste composto foi demonstrado pelo aumento da peroxidação lipídica nos três órgãos. Nos capítulos seguintes, são descritas as respostas de L. aurata capturada na Ria de Aveiro, em locais com diferentes perfis de contaminação, inicialmente no Outono de 2005 (Capítulos III a IX) e posteriormente analisando respostas sazonais (Capítulos X e XI). A análise de respostas de stresse (cortisol, glucose e lactato) revelou que L. aurata capturada em Vagos (local contaminado por HAPs) apresentava níveis baixos de cortisol, enquanto que no Laranjo (local contaminado por mercúrio) apresentavam elevados níveis de glucose e lactato. Relativamente às hormonas do eixo hipotálamo – hipófise – tiróide (HHT), foram observados elevados níveis plasmáticos da hormona estimuladora da tiróide (TSH) nos organismos capturados no Laranjo, baixos níveis de tiroxina (T4) nos organismos da Barra (local sujeito a tráfego naval) e baixos níveis de triiodotironina (T3) no Rio Novo do Príncipe (próximo de um antigo efluente de pasta de papel), Laranjo e Vagos. A avaliação das defesas antioxidantes, dano oxidativo e genotóxico nas guelras, rim e fígado revelou diferenças significativas nas respostas dos órgãos. L. aurata capturada na Barra apresentou dano oxidativo nas guelras (Capítulo V). No rim foi detectada uma diminuição da integridade do ADN no Rio Novo do Príncipe e Vagos (Capítulo VI), enquanto que no fígado foi observado dano lipídico na Gafanha e Vagos (Capítulo VIII). O dano não esteve sempre associado a um decréscimo das defesas. As análises da água e do sedimento da Ria de Aveiro (Outono de 2005) revelaram elevadas concentrações de metais (Cd, Hg, Cu e Zn),principalmente, no Laranjo e Rio Novo do Príncipe. L. aurata capturada nestes locais apresentou os níveis mais elevados de metalotioninas hepáticas (Capítulo VII) que parecem responsáveis pela inexistência de danos no fígado (Capítulo VIII). O dano oxidativo no ADN, avaliado através da quantificação dos níveis plasmáticos de 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG) e o dano clastogénico/aneugénico, avaliado através da quantificação da frequência de ANE, foram estudados, no Outono de 2005, em duas espécies de peixes (L. aurata e Dicentrarchus labrax - robalo) (Capítulo IX). Os resultados revelaram grande sensibilidade de D. labrax em termos de dano oxidativo no ADN na Gafanha, Rio Novo do Príncipe e Vagos, enquanto que L. aurata apresentou dano oxidativo apenas no Laranjo. O aumento da frequência de ANE apenas foi detectado em L. aurata, em Vagos, não se tendo detectado correlação entre estes dois parâmetros. O estudo sazonal (Maio de 2006 a Março de 2007) do dano oxidativo no ADN e frequência de ANE em L. aurata (Capítulo X) demonstrou a variação destes parâmetros com a estação do ano, apesar de não se ter verificado correlação com os parâmetros hidrológicos determinados. No entanto, no local de referência não se verificaram diferenças sazonais, o que sugere que estes biomarcadores reflectem variações de biodisponibilidade de contaminantes. A análise global dos resultados das diferentes estações do ano revelou que L. aurata capturada no Rio Novo do Príncipe e em Vagos apresentou maior susceptibilidade a dano oxidativo no ADN. No entanto, apenas L. aurata capturada em Vagos apresentou frequência de ANE superior à do local de referência. Os dados do estudo sazonal revelaram uma correlação entre dano oxidativo e ANE, sugerindo o stresse oxidativo como um possível mecanismo envolvido na formação de anomalias. A integridade do ADN das guelras, rim, fígado e sangue de L. aurata foi igualmente estudada ao longo de um ano (Capítulo XI), tendo-se verificado uma grande variabilidade ao longo deste período. Não foi demonstrada sensibilidade a um perfil de contaminação específico, tendo-se verificando variabilidade sazonal no local de referência. Globalmente, os resultados demonstraram a importância da utilização de uma bateria de biomarcadores na monitorização ambiental e a especificidade da resposta dos diferentes órgãos de L. aurata.

Mercury in feral fish: distribution, accumulation and toxicity

O principal objectivo desta dissertação foi estudar a acumulação de mercúrio em vários tecidos de peixes marinhos, a sua relação com factores biológicos e as respectivas respostas bioquímicas. O trabalho realizado permitiu obter novos conhecimentos sobre a acumulação de mercúrio em peixes, possibilitando avaliar a influência da biodisponibilidade do elemento e as suas possíveis implicações no ambiente. O trabalho foi desenvolvido na Ria de Aveiro (Portugal), uma zona costeira onde existe um gradiente ambiental de mercúrio, o que oferece a oportunidade de estudar a sua acumulação e os seus efeitos tóxicos em condições realísticas. As amostragens foram efectuadas em dois locais considerados críticos em termos de contaminação por mercúrio – Largo do Laranjo (L1 e L2) e num local afastado da principal fonte de poluição, usado como termo de comparação (Referência; R); L1 e L2 corresponderam a locais moderadamente e altamente contaminados, respectivamente. Foram escolhidos juvenis de duas espécies ecologicamente diferentes e representativas da comunidade piscícola local, a tainha garrento (Liza aurata) e o robalo (Dicentrarchus labrax). Em cada local foram recolhidas amostras de água e de sedimento para determinação de mercúrio. Foram quantificadas as concentrações de mercúrio total (T-Hg) e orgânico (O-Hg) em vários tecidos dos peixes, escolhidos tendo em conta a sua função relativamente à toxicocinética e toxicodinâmica de metais. As respostas antioxidantes (Catalase- CAT, glutationa peroxidase- GPx, glutationa reductase- GR, glutationa –S-transferase- GST e conteúdo em glutationa total- GSHt), o dano peroxidativo (LPO) e o conteúdo em metalotioninas (MTs) foram também avaliados. A acumulação de T-Hg foi semelhante para as duas espécies de peixes estudadas, embora D. labrax tenha apresentado concentrações tendencialmente maiores. Ambas as espécies demonstraram capacidade de reflectir o grau de contaminação ambiental existente, indicando claramente que a acumulação depende da concentração ambiental. A acumulação revelou-se específica de cada tecido. O padrão da acumulação em L. aurata foi rim > fígado > músculo > cérebro > guelras > sangue e em D. labrax foi fígado > rim > músculo > cérebro ≈ guelras > sangue. Relativamente à acumulação de OHg, verificou-se que D. labrax exibiu concentrações mais elevadas que L. aurata. Todos os tecidos foram capazes de reflectir diferenças entre R e L2. Os níveis de O-Hg no fígado, músculo e nos conteúdos intestinais foram diferentes entre espécies, sendo mais elevados para D. labrax. As guelras e o intestino foram os tecidos onde se obtiveram os valores mais baixos de O-Hg e observaram-se valores idênticos para as duas espécies. Com excepção das guelras, as concentrações de O-Hg variaram em função do valor observado nos conteúdos intestinais, indicando que a alimentação é a via dominante da acumulação. As concentrações de O-Hg nos conteúdos intestinais revelaram ser uma informação relevante para prever a acumulação de O-Hg nos tecidos, pois verificou-se uma razão praticamente constante entre o teor de mercúrio no fígado, no músculo e nos conteúdos intestinais. A percentagem de O-Hg no músculo e no fígado variou de acordo com o grau de contaminação ambiental e com o tipo de assimilação preferencial do elemento (alimentação vs. água), sugerindo que o fígado exerce um papel protector em relação à acumulação de mercúrio nos outros órgãos. Ambas as espécies de peixes demonstraram ser boas sentinelas da contaminação ambiental com mercúrio (T-Hg e O-Hg), sendo o cérebro e o músculo os tecidos que melhor reflectiram o grau de acumulação com o elemento. A análise conjunta dos dados de bioacumulação e de respostas ao stress oxidativo permitiram estabelecer uma relação entre as concentrações de mercúrio nas guelras, fígado, rim e cérebro e a sua toxicidade. As respostas do cérebro aos efeitos tóxicos do mercúrio revelaram ser específicas de cada espécie. Enquanto que para o cérebro de L. aurata se verificou um decréscimo de todos os parâmetros antioxidantes estudados nos locais contaminados, sem haver evidência de qualquer mecanismo compensatório, no D. labrax observaram-se respostas ambivalentes, que indicam por um lado a activação de mecanismos adaptativos e, por outro, o decréscimo das respostas antioxidantes, ou seja, sinais de toxicidade. Embora em ambas as espécies de peixe fosse evidente uma condição pró-oxidante, o cérebro parece possuir mecanismos compensatórios eficientes, uma vez que não se verificou peroxidação lipídica. As respostas antioxidantes do cérebro de D. labrax foram comparadas em diferentes períodos do ano - quente vs. frio. O período quente mostrou ser mais crítico, uma vez que no período frio não se verificaram diferenças nas respostas entre locais, ou seja, a capacidade antioxidante do cérebro parece ser influenciada pelos factores ambientais. As guelras revelaram susceptibilidade à contaminação por mercúrio, uma vez que se verificou uma tendência para o decréscimo da actividade de CAT em L2 e ausência de indução em L1. O fígado e o rim demonstraram mecanismos adaptativos face ao grau de contaminação moderada (L1), evidenciados pelo aumento de CAT. O rim também demonstrou adaptabilidade face ao grau elevado de contaminação (L2), uma vez que se verificou um aumento GST. Embora o grau de susceptibilidade tenha sido diferente entre os órgãos, não se verificou peroxidação lipídica em nenhum. A determinação do conteúdo em MTs em D. labrax e em L. aurata revelou que este parâmetro depende não só da espécie, mas também do tecido em causa. Assim, em D. labrax foi observado um decréscimo de MTs no cérebro, bem como a incapacidade de síntese de MTs no sangue, guelras, fígado, rim e músculo. Em L. aurata observou-se um aumento do conteúdo em MTs no fígado e no músculo. Estes resultados indicam que a aplicabilidade das MTs como biomarcador de exposição ao mercúrio parece ser incerta, revelando limitações na capacidade de reflectir os níveis de exposição ao metal e por consequência o grau de acumulação. Este trabalho comprova a necessidade de se integrarem estudos de bioacumulação com biomarcadores de efeitos, de modo a reduzir os riscos de interpretações erróneas, uma vez que as respostas nem sempre ocorrem para os níveis mais altos de contaminação ambiental com mercúrio.

Aluminium toxicity in wheat and rye

Com o presente trabalho pretendeu-se determinar e compreender melhor quais os alvos do Alumínio (Al) nas plantas, e contribuir para um melhor entendimento dos mecanismos de tolerância presentes em genótipos com elevado grau de tolerância ao Al. O Al é um dos maiores constituintes do solo e torna-se biodisponível em solos com baixo pH. Nesses casos, a exposição ao Al afecta negativamente o crescimento das plantas conduzindo a uma diminuição da produção. Estes factos são especialmente visíveis nos cereais, sendo a exposição ao Al uma das principais causas das quebras de produção nestas espécies. O Capítulo I consiste numa revisão geral sobre a toxicidade do Al nas plantas, apontando os seus principais alvos. Apresenta também os mecanismos de resistência, que inclui Al-destoxificação externa e interna, em diferentes espécies. O Capítulo II aborda os estudos sobre a exposição de curto prazo ao Al em duas espécies de cereais: Triticum aestivum L. e Secale cereale L., tendo-se sempre utilizado um genótipo Al-tolerante e um Al-sensível para cada espécie. Este capítulo está dividido em três estudos: no Capítulo II.1 realça-se o efeito da exposição a 185 μM de Al no equilíbrio nutricional em trigo. Verificou-se que em ambos os genótipos (sensível e tolerante) o perfil de macro e micro nutrientes se alterou, tendo uma interferência negativa, sobretudo no nível de P, Mg e K. Além disso, registaram-se diferenças na diferenciação da endoderme consoante o grau de tolerância/sensibilidade do genótipo. No Capítulo II.2 apresenta-se uma visão mais abrangente dos efeitos da exposição a 185 μM de Al em trigo, incluindo parâmetros fisiológicos, estruturais, citológicos e genotóxicos. Demonstra-se, pela primeira vez, que a progressão do ciclo celular é diferentemente regulada, dependendo da tolerância/sensibilidade do genótipo e que, mesmo em zonas já diferenciadas da raiz a exposição ao Al leva à deposição de calose. O Capítulo II.3 aborda os efeitos da exposição de 1.1 mM de Al em centeio, numa perspectiva bastante alargada. Apresenta-se o desequilíbrio nutricional, sobretudo no genótipo sensível, assim como a translocação de Al para a parte aérea nesse mesmo genótipo. Analisa-se também o comportamento de ambos os genótipos no que se refere ao ciclo celular, diferenciação da endoderme, crescimento radicular, reservas de hidratos de carbono, entre outros. Os resultados apontam para estratégias bem definidas adoptadas pelo genótipo tolerante de forma a minimizar a acção do Al no sistema radicular. O Capítulo III compreende a exposição longa ao Al. Dois genótipos de centeio com diferentes graus de tolerância ao Al foram expostos a 1.11 mM e 1.85 mM de Al durante 21 dias, tendo sido usados dois pontos de amostragem (15 e 21 dias). Este capítulo está dividido em dois estudos: No Capítulo III. 1 analisamse os mecanismos antioxidantes (folhas e raízes) como resposta à exposição ao Al, dando-se especial atenção ao ciclo do ascorbato-glutationas. A exposição ao Al levou a stress oxidativo e a alterações na actividade de enzimas antioxidantes e no conteúdo de antioxidantes não-enzimáticos. Demonstra-se que os dois órgãos apresentam respostas diferentes à exposição ao Al e que a capacidade de sobreviver em ambientes ricos em Al depende da eficácia da resposta antioxidante. Para além disso, a resposta do ciclo ascorbato-glutationas parece estar dependente do tipo de órgão, grau de tolerância e do tempo de exposição ao Al. No Capítulo III. 2 analisam-se os efeitos da exposição ao Al na fotossíntese. Verificou-se que o Al afecta negativamente a taxa fotossintética em ambos os genótipos, embora as alterações que o Al provoca nas trocas gasosas e no Ciclo de Calvin sejam dependentes do genótipo. Verificou-se também que os danos no genótipo sensível surgem mais cedo do que no genótipo tolerante, mas que ambos apresentam susceptibilidade ao Al após exposição de longo termo. Por fim, no Capítulo IV são apresentadas as conclusões da Tese de Doutoramento.

Integration of geochemical and biological modifications in mining areas: waters, sediments and diatoms

The development of mining activities over thousands of years in the region of Aljustrel is nowadays visible as a vast area of ore tailings, slag and host rocks of sulphides mineralization. The generation of acidic waters by the alteration of pyritic minerals - Acid Mine Drainage (AMD) - causes a significant impact on the river system both in the south of the village (Rib ª. Água Forte) and in the north of it (Rib ª. Água Azeda and Barranco do Farrobo), which is reflected in extremely low pH values (< 3) and high concentrations of As, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn and sulphates. This study aimed to assess the environmental impacts extent, integrating geochemical (surface waters and stream sediments) and biological (diatoms) parameters. Three groups of sites were defined, based on sediments and water analysis, which integration with diatom data showed the same association of groups: Group 1- impacted, with acidic pH (1.9-5.1), high metal contents (0.4-1975 mg L-1) and Fe-Mg-sulphate waters, being metals more bioavailable in waters in cationic form (Me2+); mineralogically the sediments were characterized by phyllosilicates and sulphates/oxy-hydroxysulphate phases, easily solubilized, retaining a high amount of metals when precipitated; dominant taxon was Pinnularia aljustrelica (a new species); Group 2- slightly impacted, weak acid to neutral pH (5.0-6.8), metal contents not so high (0.2-25 mg L-1) and Fe-Mg-sulphate to Mg-chloride waters; dominant taxa were Brachysira neglectissima and Achnanthidium minutissimum; Group 3- unimpacted, alkaline pH (7.0-8.4), low metal contents (0-7 mg L-1) with Mg-chloride waters. In this group, metals were associated to the primary phases (e.g. sulphides), not so easily available; the existence of high chloride contents explained the presence of typical taxa of brackish/marine (e.g. Entomoneis paludosa) waters. Taxonomical aspects of the diatoms were studied (discovery of a new species: Pinnularia aljustrelica Luis, Almeida et Ector sp. nov.), as well as morphometric (size decrease of diatoms valves, as well as the appearance of deformed valves of Eunotia exigua in Group 1 and A. minutissimum in Group 2) and physiological (effective to assess the effects of metals/acidity in the photosynthetic efficiency through PAM Fluorometry) aspects. A study was carried out in an artificial river system (microcosm) that aimed to mimic Aljustrel’s extreme conditions in controlled laboratory conditions. The chronic effects of Fe, SO42- and acidity in field biofilms, inoculated in the artificial rivers, were evaluated as well as their contribution to the communities’ tolerance to metal toxicity, through acute tests with two metals (Cu and Zn). In general, the effects caused by low pH values and high concentrations of Fe and SO42- were reflected at the community level by the decrease in diversity, the predominance of acidophilic species, the decrease in photosynthetic efficiency and the increase of enzymatic (e.g. catalase, superoxide dismutase) and non-enzymatic activities (e.g. total glutathione and total phytochelatins). However, it was possible to verify that acidity performed a protective effect in the communities, upon Cu and Zn addition. A comparative study between Aljustrel mining area and New Brunswick mining area was carried out, both with similar mining and geological conditions, reflected in similar diatom communities in both mines, but in very different geographic and climatic areas.