Sexual and Developmental Plasticity Mechanisms in the Brain of Hermaphrodite Teleosts. Study of the adrenoceptors Expression and cell Proliferation Pattern

 
This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share



PhD thesis (EN)

2004 (EN)
Φυλετικοί και αναπτυξιακοί μηχανισμοί πλαστικότητας στον εγκέφαλο ερμαφρόδιτων τελεόστεων. Μελέτη της έκφρασης νοραδρενεργικών υποδοχέων και της γένεσης και μετανάστευσης κυττάρων
Sexual and Developmental Plasticity Mechanisms in the Brain of Hermaphrodite Teleosts. Study of the adrenoceptors Expression and cell Proliferation Pattern

Zikopoulos, Basileios
Ζηκόπουλος, Βασίλειος

Δερμών, Κατερίνα Ρ

Η πλαστικότητα, χαρακτηριστική ιδιότητα του εγκεφάλου, είναι η ικανότητά του να αλλάζει εν μέρη τη δομή και λειτουργία του, προσαρμοζόμενος έτσι σε ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Αυτή η ρευστότητα των δομών και λειτουργιών διαφόρων συστημάτων είναι ιδιαίτερα εμφανής στους τελεόστεους, οι οποίοι επιδεικνύουν τη μεγαλύτερη ποικιλία αναπαραγωγικών στρατηγικών μεταξύ των σπονδυλωτών. Η πλαστικότητα της ανάπτυξης και του φυλετικού καθορισμού των τελεόστεων εκφράζεται μέσα από το εύρος της φυλετικότητάς τους, που κυμαίνεται μεταξύ πλήρως γονοχωριστικών έως και διαδοχικά ερμαφρόδιτων ειδών, των οποίων οι γονάδες αποτελούνται συγχρόνως από αρσενικό και θηλυκό ιστό. Η αλληλεπίδραση του εγκεφάλου με περιβαλλοντικούς (και κοινωνικούς) παράγοντες καθορίζει τη μοίρα των γονάδων και κατ' επέκταση και το σεξουαλικό φαινότυπο των ατόμων. Μηχανισμοί όπως η γέννηση, μετανάστευση και τελική διαφοροποίηση νευρικών κυττάρων στον εγκέφαλο ενήλικων ατόμων, καθώς και νευροδιαβιβαστές όπως η νοραδρεναλίνη και η ελεύθερη ρίζα του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ.), αποτελούν τμήματα πολυδύναμων συστημάτων και διεργασιών, που συμμετέχουν στη λειτουργική οργάνωση/αναδιοργάνωση του εγκεφάλου. Η δυνατότητα παραγωγής κυττάρων ενισχύει την ικανότητα πλαστικών αποκρίσεων του εγκεφάλου μέσα σε συνθήκες συνεχώς μεταβαλλόμενες. Στον εγκέφαλο των σπονδυλωτών η νοραδρεναλίνη είναι διεγερτικός νευροδιαβιβαστής και εμπλέκεται σε διεργασίες όπως η γενική κατάσταση εγρήγορσης, μάθησης, σχηματισμού μνήμης, αποκρίσεων στο stress και διατροφικής και αναπαραγωγικής συμπεριφοράς. Η δράση της εκδηλώνεται διαμέσω μεμβρανικών υποδοχέων συνδεδεμένων με G-πρωτεΐνες, οι οποίοι διακρίνονται σε τύπους: α1, α2, β1, β2, β3 και εντοπίζονται τόσο προ- ή μετασυναπτικά όσο και εξωσυναπτικά. Η ΝΟ., σε αντίθεση με τους υπόλοιπους νευροδιαβιβαστές, είναι αέριο, διαχέεται ελεύθερα μεταξύ γειτονικών κυττάρων και δρα κυρίως μέσω της γουανυλικής κυκλάσης. Διερευνήθηκε η συμμετοχή της γέννησης, μετανάστευσης και τελικής διαφοροποίησης νευρικών κυττάρων, των α2 και β νοραδρενεργικών υποδοχέων και της ΝΟ. σε μηχανισμούς πλαστικότητας κατά τη διάρκεια της μετεμβρυϊκής ανάπτυξης και της αλλαγής του φύλου, στον εγκέφαλο δύο διαδοχικά ερμαφρόδιτων τελεόστεων: της πρώτανδρης τσιπούρας (Sparus aurata) και του πρωτόγυνου φαγκριού (Pagrus pagrus) καθώς και σε στείρα υβρίδια, που προήλθαν από τη διασταύρωση θηλυκής τσιπούρας με αρσενικό φαγκρί και το αντίστροφο. Η γέννηση και μετανάστευση κυττάρων εντοπίστηκε με την ανοσοϊστοχημική μέθοδο της βρωμοδεοξυουριδίνης (BrdU). Η κατανομή των α2 και β νοραδρενεργικών υποδοχέων προσδιορίστηκε με εφαρμογή της in vitro ποσοτικής αυτοραδιογραφικής μεθόδου πρόσδεσης ραδιοσημασμένου δεσμευτή αλλά και με τη χρήση ειδικών, για κάθε υπότυπο, αντισωμάτων. Η ενεργότητα του βιοσυνθετικού ενζύμου της ΝΟ. (ΝΟΣ) καθορίστηκε με την ιστοχημική μέθοδο της NADPH-διαφοράσης. Σε αντίθεση με τα περισσότερα σπονδυλωτά, οι ενήλικοι τελεόστεοι επιδεικνύουν εντυπωσιακούς ρυθμούς γέννησης κυττάρων, η πλειοψηφία των οποίων μεταναστεύουν, διαφοροποιούνται και ενσωματώνονται στο ήδη υπάρχον δίκτυο νευρικών κυττάρων, με αποτέλεσμα την παράλληλη αύξηση του μεγέθους του εγκεφάλου και του σώματος κατά το μεγαλύτερο μέρος της ζωής των ψαριών. Σχεδόν όλα τα θετικά σημασμένα κύτταρα βρέθηκαν σε περι- ή παρακοιλιακές περιοχές, με την πλειοψηφία να εντοπίζεται στην παρεγκεφαλίδα και σημαντικούς αριθμούς στον θάλαμο, στον υποθάλαμο, στον κοιλιακό τελεγκέφαλο και στην οπτική καλύπτρα. Ανάλυση και ποσοτικοποίηση της μιτωτικής ενεργότητας σε διάφορες εγκεφαλικές περιοχές ανέδειξε σημαντικές διαφορές στο ρυθμό γέννησης κυττάρων μεταξύ των διαφόρων φυλετικών καταστάσεων, στον ραχιαίο υποθάλαμο. Συγκεκριμένα τα θηλυκά ψάρια είχαν τριπλάσιο αριθμό και πυκνότητα νεογεννηθέντων κυττάρων από τα αρσενικά, ενώ τα σε αναστροφή άτομα είχαν ενδιάμεσα επίπεδα και διέφεραν και από τα δύο φύλα. Σύγκριση των υβριδίων μεταξύ τους αλλά και με τα γονεϊκά είδη δεν ανέδειξαν διαφορές ως προς τη θέση και τον αριθμό των ζωνών κυτταρικού πολλαπλασιασμού. Εντυπωσιακός όμως ήταν ο ιδιαίτερα χαμηλός ρυθμός γέννησης κυττάρων στις υποθαλαμικές περιοχές σε σύγκριση με την τσιπούρα και το φαγκρί. Οι διαφορές αυτές εξακολούθησαν να υφίστανται ακόμα και μετά τη μετανάστευση και τελική διαφοροποίηση των κυττάρων αυτών. Η μελέτη της έκφρασης των α2 και β αδρενεργικών υποδοχέων ανέδειξε την ευρεία κατανομή τους, σε συμφωνία με άλλες μελέτες σε πτηνά και θηλαστικά. Υψηλά επίπεδα υποδοχέων εντοπίστηκαν στις περισσότερες μέσες τελεγκεφαλικές, θαλαμικές, υποθαλαμικές και οπίσθιες αισθητικές-κινητικές περιοχές από το πρώτο έτος ζωής. Εμφανής ήταν επίσης και μια σταδιακή μείωση, με την ηλικία, της πυκνότητας των υποδοχέων αυτών σε συγκεκριμένες προκαλυπτριδικές, προοπτικές, κοιλιακές θαλαμικές και υποθαλαμικές περιοχές. Αξιοσημείωτη είναι επίσης και η παροδική αύξηση της έκφρασης των α2 υποδοχέων σε μέσους-ραχιαίους τελεγκεφαλικούς και διεγκεφαλικούς πυρήνες και των β νοραδρενεργικών υποδοχέων σε ραχιαίους υποθαλαμικούς και προοπτικούς πυρήνες. Η αύξηση αυτή των επιπέδων των υποδοχέων συμπίπτει, στις περισσότερες περιπτώσεις με τη διαδικασία αλλαγής του φύλου και είναι ιδιαίτερα έντονη στην ραχιαία υποθαλαμική περιοχή αλλά και στο κέντρο του νοραδρενεργικού συστήματος, τον υπομέλανα τόπο. Όσον αφορά την ΝΟ., αν και δεν εντοπίστηκαν ιδιαίτερες διαφορές μεταξύ των ειδών ή των φυλετικών καταστάσεων, αναδείχθηκε η ευρεία κατανομή των κυττάρων, που παρουσιάζουν ενεργότητα συνθάσης της ΝΟ. στον εγκέφαλο ερμαφρόδιτων τελεόστεων και η έντονη παρουσία τους σε φυλετικά διμορφικές περιοχές (υποθάλαμος, προοπτική περιοχή), σε στενή σχέση με τις ζώνες κυτταρικής διαφοροποίησης των νεογεννηθέντων νευρώνων. Συμπερασματικά, φαίνεται πως η παροδική αύξηση της λειτουργίας του νοραδρενεργικού συστήματος σε μεταιχμιακές τελεγκεφαλικές (Dm), ραχιαίες υποθαλαμικές (dHA) ή προοπτικές (POA) περιοχές, θαλαμικούς σταθμούς επεξεργασίας ερεθισμάτων (PG) και στον υπομέλανα τόπο (LoC), περιοχές που στην πλειοψηφία τους παρουσιάζουν έντονη ενεργότητα ΝΟΣ, σε συνδυασμό με τις αλλαγές στο ρυθμό κυτταρικού πολλαπλασιασμού και ανανέωσης του πληθυσμού των νευρικών κυττάρων τους σχετίζεται και πιθανόν καθορίζει την αναδιοργάνωση των νευρικών και αναπαραγωγικών κυκλωμάτων, ελέγχοντας τις πολύπλοκες διαδικασίες κατά την αλλαγή του φύλου στους ερμαφρόδιτους τελεόστεους. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την αναμφίβολη συμμετοχή των μηχανισμών αυτών σε εγκεφαλικά κυκλώματα που τελικά επηρεάζουν την ανάπτυξη και την αναπαραγωγική συμπεριφορά των ερμαφρόδιτων τελεόστεων. (EL)
Plasticity, a characteristic property of the brain, is defined as its ability to alter its structure and function in order to adapt to a constantly changing environment. Such an increased adaptability is particularly evident in teleosts, which among all vertebrates exhibit a remarkable variety in their reproductive strategies. This plasticity in sexual development ranges between complete gonochorism to sequential hermaphoditism. It is believed that the interaction of the brain with external queues such as an altered social environment determines the fate of the gonads, leading to the alteration of sexual phenotypes. Adult cell proliferation, migration and differentiation as well as neurotransmitter systems such as the noradrenergic and nitric oxide (NO.) are involved in the modificaton of widespread, multifunctional brain circuits related to reproductive behavior. The ability of the adult brain to produce new neuronal cells is one of the most important plasticity mechanisms. Noradrenaline is a well conserved neurotransmitter, involved in the regulation of a wide variety of systems and behaviors such as general awareness, learning, memory, stress responses, feeding and reproduction. Its action is mediated by membrane receptors coupled to G-proteins, several types of which have been characterized: α1, α2, β1, β2, β3 and localized pre- , post- and/or extra-synaptically. In contrast, ΝΟ. is a non-typical neurotransmitter: it is a small gaseous molecule, readily diffusible in aqueous media and through cellular membranes, exerting its actions, mainly interacting with guanylyl cyclase. We investigated the role of cell proliferation, migration and differentiation in addition to the involvement of α2 and β___ adrenergic receptors as well as ΝΟ., to determine neural mechanisms active during postembryonic development and sex reversal in the brain of sequentially hermaphrodite teleosts; protandrous Sparus aurata, protogynous Pagrus pagrus and their sterile hybrids, produced by crosses between male S. aurata and female P. pagrus and vice versa. The immunohistochemical method of bromodeoxyuridine (BrdU) was utilized to study cell proliferation and migration. The distribution of α2 and β___ adrenoceptors was determined by in vitro quantitative autoradiographic binding of radiolabeled ligands as well as the use of, specific to each subtype, antibodies. Finally, the activity of ΝΟ. synthase was determined by the histochemical method of NADPH-diaphorase. The observed impressive rate of cell proliferation is unique to the brain of adult teleost fish among all vertebrates and it is evident that the substantial increase in the size of the teleost brain is partially due to the generation and addition of new cells to the already existing populations. Postnatal neurogenesis was found in ventricular and subventricular areas of the brain, with the cerebellum exhibiting the highest mitotic activity. In addition, high mitotic activity was observed in the hypothalamic, thalamic and telencephalic ventricular areas, as well as the dorsal and ventral rim of the optic tectum. Among the brain areas studied, the dorsal hypothalamic area (dHA) showed higher mitotic activity in the female brain compared to that of the other sexual phases. Specifically the generation of new cells was three times higher in the female hypothalamus compared to the males, with the sex changing animals exhibiting intermediate levels. Comparison of the hybrids with the parental species did not provide evidence for differences regarding the distribution and number of proliferation zones however, significant differences in the hypothalamic rate of cell proliferation were detected, with the hybrids exhibiting minimal levels of cell birth. These differences persisted even after the migration and final differentiation of the newborn cells. The observed widespread distribution of α2 and β___ adrenoceptors is in agreement with previous reports on mammals and birds. High densities of α2 and β___ adrenoceptors were detected in most medial telencephalic, preglomelular, hypothalamic and posterior sensorymotor areas from the first year of life. Gradual decreases in receptor density with age were prominent in some pretectal, preoptic, ventral thalamic and hypothalamic brain regions. It is of great interest that sex reversal was accompanied by a transient increase in the expression of α2 adrenoceptors in dorsomedial telencephalic and diencephalic areas and β___ adrenoceptors in dorsal hypothalamic and preoptic areas. This specific transient increase in noradrenergic activity was particularly evident in dHA and the center of noradrenergic activity, locus coeruleus (LoC). The distribution and density of NO.-positive neurons and fibers was similar between all species, different age classes and sexual phases examined. However, sexually dimorphic regions like the hypothalamus and the preoptic area were rich in labeled neurons and highly innervated by NO.-positive fibers, always in close proximity with the zones of final differentiation of the newborn neurons. In conclusion, our findings suggest that a transient increase in the levels of α2 and β adrenergic receptors in limbic telencephalic (Dm), dorsal hypothalamic (dHA), preoptic (POA), thalamic input relay stations (PG) and locus coeruleus (LoC), areas that are highly innervated by NO fibers, triggers the onset of sexual inversion. In addition, masculinization or feminization of hermaphrodite teleosts also involves a significant increase in the rate of hypothalamic cell proliferation with the addition of newborn neurons and glia to the already existing cell populations. These findings highlight the important regulatory role of such mechanisms interacting to form complex brain circuits, which in turn determine development, sex reversal and reproductive behavior in hermaphrodite fish. (EN)

Τύπος Εργασίας--Διδακτορικές διατριβές
text

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

Greek

2004-09-16
2004-03-24


Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Βιολογίας--Διδακτορικές διατριβές



*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)