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Title: Plasticidade fenotípica em espécies de peixes ornamentais: relacionando ecologia, fisiologia e epigenética
Authors: Caldas, Waldir Heinrichs
metadata.dc.contributor.advisor: Val, Vera Maria Fonseca Almeida
Keywords: Hipóxia
Epigenética
Issue Date: 11-Nov-2021
metadata.dc.publisher.program: Genética, Conservação e Biologia Evolutiva - GCBEv
Abstract: Fishes’ responses to hypoxia seem to be related to the diversity of aquatic environments, which present daily and seasonal variations in the dissolved oxygen concentration. Amongst these fishes’ adaptation to hypoxia, behavioral, metabolic, physiological, and biochemical responses are well known for some species. Many of these responses are controlled by genetic and possibly epigenetic mechanisms, such as microRNAs (miRNAs). MiRNAs are epigenetic mechanisms that act at the interface of the environment and the transcriptome and are known to drive plasticity in the responses following environmental stressors. An area of miRNA that has remained underexplored is the function of miRNAs in hypoxia tolerance, its sex specific action following hypoxia exposure and its effects as gene expression regulator in fishes. In this work, we aimed to identify how two different aquatic environments, normoxic forest streams and hypoxic lakes, dictate the responses to hypoxia for two cichlid species, Mesonauta festivus and Aequidens pallidus. In the first chapter, the results show that A. pallidus is less tolerant to hypoxia, which seems to be related to this animal’s natural normoxic environment. Even though this species modulates the mitochondrial respiration in order to improve the oxygen use, it also shows a lower decrease in metabolic rate when exposed to hypoxia, and no activation of the anaerobic metabolism. Instead, M. festivus showed a higher decrease in metabolic rate and an activation of the anaerobic metabolism after hypoxia exposure. These data reveal that the natural dissolved oxygen influences the hypoxia tolerance and that species’ tolerance is related to its ability to perform metabolic depression. The interesting results are the absence of mitochondrial respiration influence in these processes. Following the hypoxia tolerance found for both these species, in the second chapter, this work aimed to evaluated the expression of miR-210, miR-181c, miR-18a, miR-21, and let-7d in these two Amazon species, which have distinct hypoxia tolerance strategies. The results show that, when exposed to hypoxia, M. festivus changes the expression of miR-181c and let-7d in the liver, while A. pallidus changes the expression of miR-181c and miR-210 in the liver. The results also confirm that the changes in expression of these miRNAs are related to these fishes’ strategy to endure hypoxia. The third chapter in this study aimed to identify differences in mRNA and miRNA expression in the F1 generation of zebrafish (Danio rerio) at 1 hpf after either F0 parental male and female exposed to 2 weeks of continuous (45%) hypoxia. In general, F1 embryos at 1 hpf demonstrated differences in mRNA and miRNAs expression related to the stressor and to the specific sex of the F0 that was exposed to hypoxia. Bioinformatic pathway analysis of predicted miRNA:mRNA relationships indicated responses in known hypoxia signaling and mitochondrial bioenergetic pathways. This research demonstrates the importance of examining the specific male and female contributions to phenotypic variation in subsequent generations and provides evidence that there is both maternal and paternal contribution of miRNA through eggs and sperm from one generation to the next when the first is exposed to hypoxia.
metadata.dc.description.resumo: As respostas dos peixes à hipóxia parecem estar relacionadas à diversidade dos ambientes aquáticos, que apresentam variações diárias e sazonais na concentração de oxigênio dissolvido. Dentre a adaptação desses animais à hipóxia, as respostas comportamentais, metabólicas, fisiológicas e bioquímicas são bem conhecidas para algumas espécies. Muitas dessas respostas são controladas por mecanismos genéticos e, possivelmente, epigenéticos, como microRNAs (MiRNAs). MiRNAs são mecanismos epigenéticos que agem na interface entre o ambiente e o transcriptoma e são conhecidos por conduzirem respostas rápidas frente a estressores ambientais, conferindo plasticidade fenotípica aos animais. As funções dos dos miRNAs permanecem pouco exploradas quanto à sua ação na tolerância à hipóxia, sua ação em diferentes sexos após a exposição à hipóxia e seus efeitos como reguladores da expressão gênica em peixes após exposição à hipóxia, de forma inter e transgeracional. Neste trabalho, visamos identificar como dois ambientes aquáticos diferentes, igarapés e lagos, “ditam” as respostas à hipóxia para duas espécies de ciclídeos, Mesonauta festivus e Aequidens pallidus. No primeiro capítulo, os resultados mostram que o A. pallidus é menos tolerante à hipóxia, o que parece estar relacionado ao ambiente normóxico natural desse animal. Embora esta espécie module a respiração mitocondrial para um melhor aproveitamento do oxigênio disponível, também apresenta menor queda da taxa metabólica quando exposta à hipóxia e não ativa o metabolismo anaeróbio. Diferentemente, a espécie M. festivus mostra uma maior queda na taxa metabólica, reduzindo a demanda por oxigênio, e apresenta uma ativação do metabolismo anaeróbico. Os dados revelam que o oxigênio dissolvido natural influencia a tolerância à hipóxia e a tolerância da espécie está relacionada à capacidade da espécie em deprimir o seu metabolismo. Além disso, os resultados mostram pouca influência da respiração mitocondrial nesses processos. Considerando os resultados obtidos quanto a tolerância à hipóxia encontrada para ambas as espécies, o segundo capítulo teve como objetivo avaliar a expressão de miRNAs considerados importantes na regulação gênica em resposta à hipóxia. São eles: miR-210, miR-181c, miR-18a, miR-21 e let-7d. Esses miRs foram avaliados nas duas espécies amazônicas estudadas no primeiro capítulo que apresentaram tolerâncias distintas à hipóxia. Os resultados mostram que, quando exposta à hipóxia, a espécie M. festivus altera a expressão de miR-181c e let-7d no fígado, enquanto A. pallidus altera a expressão de miR-181c e miR-210 no fígado. Os resultados também mostram que a mudança na expressão desses miRNAs está relacionada à estratégia desses peixes para suportar a hipóxia. O terceiro capítulo deste estudo teve como objetivo identificar diferenças na expressão de mRNA e miRNA na geração F1 do zebrafish (Danio rerio) 1 hpf (hora pós-fertilização) após a exposição de machos e fêmeas da F0 a 2 semanas de hipóxia contínua (45%). Em geral, embriões F1 em 1 hpf demonstraram diferenças na expressão de mRNA e miRNAs relacionadas ao sexo da geração F0, a qual foi exposta à hipóxia. A análise de bioinformática de miRNA previu que as possíveis vias afetadas pela expressão destes miRNAs indicam modificações em vias conhecidas de sinalização de hipóxia e do metabolismo mitocondrial. Esta pesquisa demonstra a importância de examinarmos as contribuições de machos e fêmeas na variação fenotípica nas gerações subsequentes e fornece evidências de que há contribuição materna e paterna de miRNA através de óvulos e espermatozoides.
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