Study of the manganese effects on the nervous system of a vertebrate model, the zebrafish (Danio rerio)

Abstract

[Abstract] Manganese (Mn) is an essential trace metal required for humans, being its homeostasis necessary to prevent its toxicity. It is known that Mn overexposure causes its accumulation in the brain, resulting in neurological disorders, motor disturbances and behavioural impairment, among others. To study synaptic/neuronal injury generated by chronic chemical exposure, the synaptic protein neurogranin is analysed. Due to its levels being altered in the brain of patients with neurological disease or disorders, it is considered a promising biomarker of neurodegeneration. Despite its relevance, neurogranin distribution in the nervous system has not been characterized in zebrafish (Danio rerio, Teleostei). This dissertation focuses on the study of the effects that manganese overexposure produces on neurogranin expression, as well as on the larval phenotype and behaviour in zebrafish. Neurogranin distribution in the adult brain and during development was characterized here. Compared to control individuals, zebrafish larvae overexposed to manganese showed a reduction both in neurogranin immunofluorescence intensity in the brain and in mRNA expression of neurogranincoding genes (nrgna and nrgnb) in whole larvae, in addition to other phenotypic differences. Moreover, embryos exposed to high concentrations of manganese showed behavioural alterations, such as postural defects, reduced motor output and light preference, but no differences in optomotor response were observed.

[Resumen] El manganeso (Mn) es un metal traza esencial requerido por los humanos, siendo su homeostasis necesaria para prevenir su toxicidad. Se sabe que la sobreexposición al Mn provoca su acumulación en el encéfalo, dando lugar a trastornos neurológicos, trastornos motores y alteraciones del comportamiento, entre otros. Para estudiar la lesión sináptica/neuronal generada por la exposición química crónica, se analiza la proteína sináptica neurogranina. Debido a que los niveles de esta proteína están alterados en el encéfalo de pacientes con enfermedades o trastornos neurológicos, podría considerarse un biomarcador prometedor de neurodegeneración. Pese a su relevancia, su distribución en el sistema nervioso no está caracterizada en el pez cebra (Danio rerio, Teleostei). Esta tesis doctoral se centra en el estudio del efecto que la sobreexposición de manganeso produce en la expresión de neurogranina, así como en el fenotipo y en el comportamiento de las larvas. Se caracterizó la distribución de la neurogranina en el encéfalo del pez cebra durante el desarrollo embrionario y en adultos. En comparación con individuos control, las larvas sobreexpuestas a manganeso mostraron una reducción de intensidad en la reacción de inmunofluorescencia contra la neurogranina encefálica y una regulación negativa de la expresión de ARNm para los genes que codifican para esta proteína (nrgna y nrgnb), además de diferencias fenotípicas. Así mismo, los embriones expuestos a elevadas concentraciones de manganeso muestran alteraciones comportamentales tales como defectos posturales y reducción de la potencia motora y de preferencia a la luz, si bien no se aprecian diferencias en la respuesta optomotora.

[Resumo] O manganeso (Mn) é un metal traza esencial que requiren os humanos, sendo necesaria a súa homeostase para previr a súa toxicidade. Sábese que a sobreexposición ao Mn provoca a súa acumulación no cerebro, dando lugar a trastornos neurolóxicos, trastornos motores ou alteracións do comportamento, entre outros. Para estudar a lesión sináptica/neuronal xerada pola exposición química crónica, analízase a proteína sináptica neurogranina. Dado que os niveis desta proteína están alterados no cerebro dos pacientes con enfermidades ou trastornos neurolóxicos, podería considerarse un biomarcador prometedor da neurodexeneración. A pesar da súa relevancia, a súa distribución no sistema nervioso non está caracterizada no peixe cebra (Danio rerio, Teleostei). Esta tese doutoral céntrase no estudo do efecto que a sobreexposición de manganeso produce na expresión da neurogranina, así como no fenopito e no comportamento das larvas. Caracterizouse a distribución da neurogranina no encéfalo do peixe cebra durante o desenvolvemento embrionario e nos adultos. En comparación cos individuos control, as larvas sobreexpostas a manganeso mostraron unha redución da intensidade da reacción de inmunofluorescencia contra a neurogranina encefálica e unha regulación negativa da expresión de ARNm para os xenes que codifican esta proteína (nrgna e nrgnb), ademais de diferenzas fenotípicas. Do mismo modo, os embrións expostos a elevadas concentracións de manganeso mostran alteracións do comportamento tales como defectos posturais e redución da potencia motora e da preferencia á luz, aínda que non se aprecian diferenzas na resposta optomotora.