Efeito da luz e endotelina no mecanismo molecular do relógio em melanóforos de Xenopus laevis

• Main Author: Maria Nathália de Carvalho Magalhães Moraes
• Other Authors: Ana Maria de Lauro Castrucci
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2014
• Subjects: 1.Xenopus laevis; 2.Melanopsina; 3.Genes do relógio; 4.Endotelina; 5.Relógio periférico; Clock genes; Endothelin; Melanopsin; Peripheral clock; Xenopus laevis
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/41/41135/tde-19032015-153736/

Os ciclos claro-escuro (CE) são considerados importantes pistas para o ajuste de relógios biológicos. Alças de retroalimentação positiva e negativa de transcrição e tradução de genes de relógio são a base molecular subjacente tanto a relógios centrais como periféricos. A opsina não visual, melanopsina (Opn4), expressa na retina de mamíferos, é considerada o fotopigmento circadiano pois é responsável pelo ajuste do relógio biológico endógeno. Este fotopigmento também está presente nos melanóforos de Xenopus laevis, onde ele foi descrito pela primeira vez, mas seu papel nestas células ainda não está completamente esclarecido. Espécies de vertebrados não mamíferos expressam duas ou mais melanopsinas e, no caso de X. laevis, há dois genes, Opn4m and Opn4x. Melanóforos de X. laevis respondem à luz com dispersão dos grânulos de melanina, a resposta máxima sendo atingida no comprimento de onda correspondente àquele de excitação máxima da melanopsina. Entre vários hormônios, endotelinas também dispersam os melanossomos em melanóforos de Xenopus através de via similar àquela evocada pela luz. Tendo esses fatos em mente, decidimos investigar se a luz e a endotelina modulam a expressão de genes de relógio em melanóforos de Xenopus, usando PCR quantitativo para avaliar os níveis relativos de RNAm de Per1, Per2, Clock e Bmal1. Ciclos CE promoveram alterações temporais na expressão de Per1, Per2 e Bmal1. Pulsos de 10 min de luz azul aumentaram a expressão de Per1 e Per2, diminuíram a expressão de Opn4x, mas não tiveram efeito sobre Opn4m. Ainda mais, diferentes localizações foram mostradas para cada melanopsina: imunorreatividade para OPN4x foi vista principalmente na membrana celular, enquanto OPN4m foi imuno-localizada no núcleo. Estes resultados em conjunto apontam para funções diferenciais das duas melanopsinas neste modelo. A translocação de grânulos de melanina foi maior quando um pulso de luz azul foi aplicado na presença de endotelina ET-3. E os níveis de RNAm de Clock exibiram variação temporal em melanóforos submetidos a CE após tratamento com ET-3 10-9M, enquanto a expressão de Per1 não foi afetada pelo tratamento hormonal. Em adição, ensaios farmacológicos indicaram que as respostas de Per1 e Per2 à luz azul são evocadas através da ativação da via de fosfoinositídeos, com crosstalks com GMPc/proteina quinase G (PKG) para ativar os genes de relógio. Estes dados sugerem a participação de melanopsina na foto-ativação de genes de relógio, e apontam para uma participação menor de endotelina como sincronizador desta linhagem celular. Nossos resultados constituem uma importante contribuição ao campo emergente dos relógios periféricos os quais, em espécies de não mamíferos têm sido mais extensivamente estudados em Drosophila melanogaster e Danio rerio. Dentro deste contexto, nós mostramos que os melanóforos de Xenopus laevis representam um modelo ideal para a compreensão da modulação de ritmos circadianos por luz e hormônios === Light-dark cycles (LD) are considered important cues to entrain biological clocks. Positive and negative feedback loops of clock gene transcription and translation are the molecular basis underlying the mechanism of both central and peripheral clocks. The non-visual opsin, melanopsin (Opn4), expressed in the mammalian retina, is considered a circadian photopigment because it is responsible of entraining the endogenous biological clock. This photopigment is also present in the melanophores of Xenopus laevis, where it was first described, but its role in these cells is not fully understood. Non-mammalian vertebrate species express two or more melanopsins, and in X. laevis there are two melanopsin genes, Opn4m and Opn4x. X. laevis melanophores respond to light with melanin granule dispersion, the maximal response being achieved at the wavelength of melanopsin maximal excitation. Among various hormones, endothelins also disperse melanosomes in Xenopus melanophores through a similar pathway as light does. Therefore, we decided to investigate whether light and endothelin modulate clock gene expression in Xenopus melanophores, using quantitative PCR to evaluate the relative mRNA levels of Per1, Per2, Clock and Bmal1. LD cycles elicited temporal changes in the expression of Per1, Per2 and Bmal1. A 10 min pulse of blue light increased the expression of Per1 and Per2, decreased Opn4x expression, but had no effect on Opn4m. In addition, a different localization was shown for each melanopsin: immunoreactivity for OPN4x was mainly seen in the cell membrane, whereas OPN4m was immunolocalized in the nucleus. These results taken together point to a differential role for each melanopsin in this model. Melanosome translocation was greater when a blue light pulse was applied in the presence of endothelin ET-3. And mRNA levels of Clock exhibited temporal variation in melanophores under LD cycles after 10-9 M ET-3 treatment, whereas Per1 expression was not affected by the hormone treatment. In addition, pharmacological assays indicated that Per1 and Per2 responses to blue light are evoked through the activation of the phosphoinositide pathway, which crosstalks with cGMP/protein kinase G (PKG) to activate the clock genes. These data suggest the participation of melanopsin in the photo-activation of clock genes and point to a minor role of endothelin as synchronizer for this cell line. Our results add an important contribution to the emerging field of peripheral clocks, which in non-mammalian species have been mostly studied in Drosophila melanogaster and Danio rerio. Within this context, we show that Xenopus laevis melanophores represent an ideal model to understanding circadian rhythms modulation by light and hormone