Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra - Tesi di dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra dell'Università della Calabria.

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Author: search.filters.author.Cerra, Maria CarmelaEnd date: 2019

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    Cardiac plasticity in fish: the influence of humoral and environmental factors
    (2018-06-22) Filice, Mariacristina; Cerra, Maria Carmela; Imbrogno, Sandra
    Il rimodellamento cardiaco è un fenomeno complesso che permette un’adeguata attività d’organo in risposta a cambiamenti fisiologici e patologici e coinvolge modificazioni a livello tissutale, cellulare e molecolare, secondo meccanismi ancora poco noti. Il cuore dei vertebrati mostra una notevole capacità di adattarsi funzionalmente alle richieste emodinamiche dell’organismo. Questa plasticità è esemplificata dalla modulazione “beat-to-beat” della contrattilità in risposta a cambiamenti del carico pressorio e volumetrico (risposta di Starling) e dal riarrangiamento morfo-funzionale adattativo. I maggiori determinanti della risposta plastica del cuore sono gli stimoli fisici come lo stress meccanico e lo stiramento dei miociti, o chimici, come ad esempio quelli esercitati da cardiomodulatori, inclusi i Peptidi Natriuretici (NPs), l’endotelina-1 (ET-1), l’Ossido Nitrico (NO) e l’Angiotensina II (AngII). Queste molecole attivano specifici circuiti endocrini/paracrini/autocrini responsabili del controllo omeostatico della funzione e della crescita cardiaca. Nei mammiferi, il cuore adulto è considerato un organo terminalmente differenziato nel quale la crescita e il rimodellamento avvengono per ipertrofia. Questo paradigma è stato recentemente confutato da evidenze che mostrano come, durante la normale crescita cardiaca, i miocardiociti adulti proliferano e muoiono. L’identificazione di stimoli e meccanismi che, attivando programmi genetici e/o metabolici silenti, possano permettere ai cardiomiociti di mammifero adulto di proliferare, è al momento tra gli scopi più importanti della ricerca cardiovascolare moderna. A tal riguardo un possibile approccio è quello di identificare esempi di plasticità cardiaca fra i vertebrati. Negli ultimi anni il cuore dei pesci ha rappresentato un importante strumento di ricerca per analizzare aspetti molecolari, cellulari e tissutali della plasticità cardiaca. Nei pesci, il cuore adulto conserva la capacità di crescita iperplastica in risposta a cambiamenti delle condizioni ambientali, all’esercizio fisico e alla maturità sessuale. Esempio estremo di questa plasticità è rappresentato dalla completa rigenerazione del cuore di zebrafish in seguito a rimozione chirurgica di una porzione del ventricolo. In una prospettiva traslazionale, i risultati di studi effettuati nei pesci potrebbero rappresentare uno strumento importante per decifrare i determinanti e i meccanismi coinvolti nel rimodellamento morfo-funzionale del cuore dei mammiferi. Partendo da queste premesse, questo progetto di tesi ha voluto valutare se e in che misura, fattori umorali e ambientali influenzano la plasticità cardiaca dei pesci. In particolare, in questa tesi di dottorato sono riportati e discussi i risultati ottenuti da studi relativi al controllo umorale del rimodellamento morfo-funzionale cardiaco mediato dall’esposizione cronica all’AngII nel cuore dell’anguilla europea Anguilla anguilla e dello zebrafish Danio rerio, e i meccanismi fisiologici e molecolari attivati nel cuore della carpa, Carassius carassius, in risposta all’ipossia. L’AngII, il prodotto bioattivo del Sistema Renina Angiotensina (RAS) è un potente ormone le cui azioni biologiche sono state ampiamente studiate nei mammiferi. A livello cardiaco, legandosi a recettori di tipo AT1 e AT2, l’AngII influenza positivamente la contrattilità miocardica e regola la crescita miocitaria. Un RAS omologo a quello dei mammiferi è presente anche nei pesci. In particolare, nei teleostei, l’AngII può indurre modificazioni cardiache a breve (modulazione della contrattilità) e lungo termine (rimodellamento morfo-funzionale). Nel 2013, Imbrogno e collaboratori hanno dimostrato che il cuore di anguille esposte per 4 settimane ad iniezioni intraperitoneali di AngII mostrava una migliore capacità di rispondere ad incrementi di post-carico. Quest’effetto era mediato dall’attivazione dei recettori AT2 e accompagnato da una differente espressione e localizzazione di proteine coinvolte nella regolazione della crescita e dell’apoptosi. Partendo da queste premesse, questo studio ha voluto meglio investigare le modificazioni strutturali e molecolari attivate nel cuore di anguille esposte per 8 settimane ad iniezioni intraperitoneali di AngII. Analisi morfologiche hanno evidenziato che i cuori di animali trattati mostravano un incremento della muscolarità ventricolare associato ad un aumento dello spessore del compatto e ad una riduzione degli spazi lacunari nello spugnoso. Queste modificazioni erano accompagnate da un’incrementata vascolarizzazione del compatto. Analisi di western blotting e immunofluorescenza hanno evidenziato un’aumentata espressione del recettore AT2 nei cuori di animali trattati, associata ad una diversa localizzazione: nei controlli AT2 localizza principalmente a livello miocitario mentre in seguito a trattamento, un segnale fluorescente si osserva a livello dell’endotelio endocardico. In relazione al ruolo cruciale svolto dallo NO nei meccanismi di regolazione del rimodellamento cardiaco nei pesci, lo studio ha voluto anche analizzare il cross-talk tra AngII e il sistema NO Sintasi (NOS)/NO. In condizioni basali, lo NO prodotto dalla NOS viene immediatamente metabolizzato a nitriti o nitrati. Per questa ragione, il dosaggio dei nitriti può essere utilizzato per misurare i livelli di NO prodotti dalla NOS e di conseguenza la funzionalità stessa dell’enzima. Il dosaggio dei nitriti, effettuato su omogenati di cuori di animali trattati con AngII ha evidenziato una riduzione significativa della concentrazione di nitriti rispetto ai controlli, indice di una ridotta attività della NOS. Analisi di western blotting non hanno evidenziato variazioni significative nei livelli di espressione della forma fosforilata (e quindi attiva) della NOS. Tuttavia, il trattamento ha influenzato la localizzazione dell’enzima fosforilato. Infatti, mentre nei controlli peNOS localizza sia nei miociti che a livello dell’endotelio endocardico (EE), nei trattati si osserva una maggiore localizzazione a livello miocitario e solo un debole segnale a livello endocardico. Questo dato è accompagnato da una maggiore espressione, a livello dell’EE, di NOSTRIN, un modulatore negativo della NOS, responsabile della traslocazione dell’enzima dalla membrana plasmatica all’interno di vescicole citoplasmatiche. Analisi di western blotting hanno anche evidenziato una riduzione nei livelli di espressione della chinasi Akt e dello chaperone HSP90, due tra i principali modulatori positivi della NOS. Nel complesso questi risultati dimostrano che il cuore di anguilla cronicamente esposto all’azione dell’AngII va incontro ad un riarrangiamento strutturale e ad una modulazione dei livelli di NO e delle proteine che regolano l’attività della NOS. Gli effetti cronici dell’AngII sono stati investigati anche nello zebrafish. Sebbene questo studio è ancora in corso, i primi risultati sperimentali dimostrano che anche il cuore di zebrafish va incontro ad un rimodellamento strutturale se esposto per 8 settimane all’azione dell’AngII. In particolare, i cuori trattati con AngII mostrano un incremento del compatto e una riduzione degli spazi lacunari, indicativi di un aumento della muscolarità ventricolare. Questo è associato ad un aumento del collagene e ad un significativo aumento del peso del cuore e dell’indice cardiosomatico (rapporto in percentuale tra il peso del cuore e il peso dell’animale). Analisi di western blotting hanno evidenziato inoltre un’aumentata espressione di entrambi i recettori AT1 e AT2 in omogenati cardiaci di animali trattati con AngII. La seconda parte della tesi ha analizzato i meccanismi fisiologici e molecolari attivati nella carpa in risposta all’ipossia. A differenza dei mammiferi, alcune specie di pesci, come ad esempio i ciprinidi, mostrano una notevole capacità di sopravvivere e restare attivi anche per lungo tempo se esposti a condizioni di ipossia o anossia. Questa capacità è legata alla loro abilità di mantenere o aumentare la performance cardiaca in risposta ad una riduzione di ossigeno ambientale, favorendo così gli scambi tra i tessuti. Inoltre, questi pesci sono in grado di convertire il lattato (prodotto ultimo della glicolisi) in etanolo, che è poi eliminato attraverso le branchie. Una caratteristica dei pesci è la loro capacità di captare, attraverso le branchie, nitriti e nitrati dall’acqua in cui si trovano; in condizioni di ipossia, quando l’attività della NOS è compromessa, i nitriti possono rappresentare un’importante fonte di NO che, a sua volta, interviene nei processi di citoprotezione. Sulla base di queste osservazioni, in collaborazione con il Prof. Jensen (Università di Odense) e la Prof.ssa Fago (Università di Aarhus), è stato avviato uno studio volto a valutare il ruolo dei nitrati e della mioglobina come fonti alternative di nitriti, e quindi di NO, nella carpa esposta per un giorno ad ipossia profonda (1
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    Effetti del daidzein sul comportamento mnemonico attraverso le variazioni del sistema neurotensinergico e di fattori infiammatori in aree limbiche di criceti high fat diet
    (2018-04-11) Fazzari, Gilda; Cerra, Maria Carmela; Canonaco, Marcello
    In the past years, growing indications have pointed to food diets as major factors capable of conditioning physical-social states in humans as suggested by high-fat containing food sources which, despite their extremely "tasteful" properties, are responsible for marked morpho-structural alterations in critical brain areas for the regulation of not only psycho-cognitive behaviors but above all for nutritional parameters. It is already known that food consumption and action mechanisms implicated in energetic homeostasis are part of a complex neuronal circuit that when they are altered tend to account for increased body weight and consequently the development of obesity, regarded a chronic disease leading to different medical co-morbidities such as cardiovascular diseases (especially hypertension), dyslipidemia and diabetes type 2. From these effects plus the avoidance of applying drugs with numerous collateral alterations have directed a greater attention towards the production of "safer" drugs natural deriving vegetable extracts such as daidzein (DZ), a glucosidic isoflavone capable of mimicking estrogenic activities at the brain level, which supplied neuroprotective values against increased body weight, elevated feeding duration and diminished locomotor activity of high fat diet (HFD) hamsters (Mesocricetus auratus). This isoflavone also reduced anxiety-like behaviors in hyperlipidic animals as indicated by a greater time spent (p<0.01) in open arms of elevated plus maze (EPM) along with greater exploration (p<0.001) tendencies toward new objects of the novel object recognition (NOR) test. From a molecular point of view, DZ greatly protected the brain against neurodegeneration events as pointed out by few Amino Cupric Silver Stain granules in the hippocampus (HIP), hypothalamus (HTH) and amygdala (AMY) very likely via a diminished interaction of neurotensin receptor1 (anorexic neuropeptide; NTR1) GABAergic-leptin receptor levels in the latter two areas after the conditioned place preference (CPP) test. Contextually the recovered cognitive performances seemed to be tightly linked with reduced NTR1 expression levels in an ERβ manner for HIP after NOR test. In addition, such effects of DZ also strongly required increased levels of the antineuroinflammatory cytokine IL-10 that by reducing adenosine 5' monophosphate kinase (AMPK) and extracellular receptor kinase (ERK) widely improved cognitive together with exploratory behaviors. Overall, these first results supply important evidences on the neuroprotective values of DZ, which through NTR1 + IL-10 protective and repairing mechanisms of, aside the above limbic areas, also appetite-mediated brain centers known for their feeding, cognitive and endocrine functions, may surely comprise a good start for the introduction of novel therapeutic applications against obesity conditions.
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    Low protein/gluten free bread: special dietary uses and physical
    (2018-03-09) Laitano, Francesca; Gabriele, Domenico; Baldino, Noemi; Cerra, Maria Carmela
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    Genetic variability of amino acid transporters: study of the influence on physical decline and human survival
    (2018-05-31) Hoxha, Eneida; Rose, Giuseppina; Cerra, Maria Carmela
    Il presente progetto di ricerca si inserisce nell’ambito della tematica generale di ricerca del laboratorio di Genetica dell’Università della Calabria, relativa allo studio della comprensione dei meccanismi intrinseci (genetici ed epigenetici) ed estrinseci (ambientali e culturali) che modulano la qualità dell’invecchiamento in Calabria, volto alla identificazione di parametri in grado di definire la fragilità (frailty) degli anziani e la loro tendenza alla disabilità, alla morbidità e alla mortalità. Tra le principali componenti della frailty vi è la sarcopenia, una sindrome correlata all’età caratterizzata dalla perdita progressiva generalizzata della massa muscolare e della forza fisica, che di solito comincia a manifestarsi intorno ai 50 anni di età e colpisce, approssimativamente, il 30% degli adulti sopra i 60 anni ed il 50% degli anziani sopra gli 80 anni. La sarcopenia ha un profondo impatto negativo sulla qualità della vita del soggetto, in quanto, oltre alla perdita di massa e forza muscolare, essa è associata ad una riduzione della capacità aerobica, dello stato metabolico e ad una perdita progressiva della densità ossea, che correla con un più alto rischio di fratture e con la perdita graduale dell’indipendenza fisica del soggetto anziano. La natura multifattoriale della sarcopenia, a cui concorrono sia fattori genetici che ambientali e comportamentali, come uno stile di vita sedentario e una dieta a basso contenuto proteico, oltre a interazioni gene-ambiente, determina una grande variabilità interindividuale. Mentre gli effetti dei fattori ambientali sono stati ampiamente studiati, solo recentemente si è iniziato ad affrontare lo studio delle influenze genetiche specifiche sulla performance muscolare, che possono spiegare la variabilità interindividuale. Uno dei maggiori determinanti della sarcopenia è il declino con l’età della capacità di rispondere a stimoli anabolici. Tra i principali fattori anabolici per la sintesi proteica muscolare vi è la disponibilità di aminoacidi (AA), e nello specifico di aminoacidi essenziali (EAA), i quali rivestono un ruolo importante nella risposta del muscolo, agendo da veri e propri sensori della concentrazione degli AA, principalmente attraverso l’attivazione del pathway dell’mTORC1 (il principale sistema di sensing dei nutrienti). Dati di letteratura suggeriscono che un ruolo importante nella risposta del muscolo alla disponibilità di AA è rivestito dai trasportatori degli aminoacidi (AAT). In particolare, alcuni studi hanno dimostrato che l’espressione di alcuni di essi viene influenzata in maniera età dipendente dalla supplementazione degli EAA unitamente all’attività fisica. Tuttavia pochi sono i dati sul ruolo dei trasportatori nell’invecchiamento umano e nella disabilità ad esso associata. L’ipotesi del presente studio è che i polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) appartenenti a geni codificanti gli AAT, in particolare quelli con un ruolo chiave nei meccanismi che attivano la segnalazione mTORC1 in risposta ai livelli di AA, possano avere un impatto sulla regolazione del metabolismo proteico nel muscolo e il declino fisico associato all’età. Nello specifico, sono stati analizzati geni codificanti per trasportatori coinvolti nel trasporto di leucina (SLC3A2/CD98, SLC7A5/LAT1, SLC7A8/LAT2, SLC43A1/LAT3), glutammina (SLC1A5/ASCT2, SLC38A2/SNAT2, SLC38A3/SNAT3, SLC38A7/SNAT7) e trasportatori lisosomiali (SLC36A/PAT1 e SLC38A9/SNAT9). Sulla base di diversi parametri, tra i quali localizzazione genomica, frequenza nelle popolazioni, ruolo funzionale, sono stati selezionati 58 SNPs, capaci di marcare la variabilità genetica nelle regioni geniche analizzate. Tali marcatori sono stati quindi genotipizzati, mediante tecniche differenti in relazione alle specifiche caratteristiche di ogni singolo polimorfismo, in una coorte di soggetti di età compresa tra i 50 e 108 anni per un totale di 729 individui. In un sotto-campione di età compresa tra i 50 e gli 89 anni è stata quindi verificata la correlazione tra le varianti polimorfiche studiate e parametri relativi alla performance fisica, quali la forza nella stretta della mano (HG, handgrip), la capacità di svolgere attività di vita quotidiana (ADL, activity daily living) e il tempo di camminata (WT, walking time), marcatori affidabili dello stato funzionale ed efficaci predittori di disabilità e mortalità negli anziani, verificando altresì l’associazione con la sopravvivenza, attraverso uno studio longitudinale che ha considerato un tempo di follow-up di 120 mesi. Inoltre, al fine di verificare se le varianti analizzate avessero un’influenza anche sulla probabilità di raggiungere età molto avanzate, si è studiata la correlazione con la longevità analizzando, mediante approccio trasversale, un campione di soggetti di età compresa tra i 90 e i 108 anni. Le analisi condotte nel presente lavoro forniscono evidenze a supporto dell’ipotesi che la variabilità dei geni per AAT sia in grado di modulare la performance fisica dopo la quinta decade di vita, influenzando la qualità dell'invecchiamento e la sopravvivenza, probabilmente attraverso la regolazione dell’attività di mTORC1. Inoltre, analisi di interazione tra geni diversi ed effetti sulla sopravvivenza evidenziano l’esistenza di un’influenza complessa di tali trasportatori su tratti età correlati e longevità umana, le cui conseguenze fenotipiche potrebbero essere determinate da effetti pleiotropici legati all’età. In conclusione, il presente studio rappresenta il primo tentativo di correlare la variabilità genetica degli AAT allo stato fisico in età avanzata. Sebbene le associazioni qui riportate non possono essere considerate esaustive da un punto di vista clinico, il lavoro qui descritto contribuisce alla comprensione della suscettibilità di questo tratto correlato all’età e supportano studi futuri sul ruolo degli AAT nell’invecchiamento e nella qualità della vita umana.
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    Functional cooperation between GPER and AHR toward breast cancer progression
    (2019-04-11) Cirillo, Francesca; Cerra, Maria Carmela; Maggiolini, Marcello
    The cytochrome P450 1B1 (CYP1B1) is a heme-thiolate monooxygenase involved in both estrogen and environmental contaminants metabolism. For instance, CYP1B1 catalyzes the hydroxylation of 17-β estradiol (E2) leading to the production of 4-hydroxyestradiol that may act as a potent carcinogenic agent. In addition, CYP1B1 is overexpressed in different tumors including breast cancer. In this scenario, it is worth mentioning that CYP1B1 expression is triggered by estrogens through the estrogen receptor (ER)α in breast cancer cells. In the present study, we evaluated whether the G protein estrogen receptor namely GPER may provide an alternate route toward the expression and function of CYP1B1 in ER-negative breast cancer cells, in cancer-associated fibroblasts (CAFs) obtained from breast cancer patients, in CAFs derived from a cutaneous metastasis of an invasive mammary ductal carcinoma and in breast tumor xenografts. Our results show that GPER along with the EGFR/ERK/c-Fos transduction pathway can lead to CYP1B1 regulation through the involvement of a half-ERE sequence located within the CYP1B1 promoter region. As a biological counterpart, we found that both GPER and CYP1B1 mediate growth effects in vitro and in vivo. Altogether, these data suggest that estrogens in ER-negative cell contexts may engage the alternate GPER signaling toward CYP1B1 regulation. CYP1B1 is a well-known target gene of the aryl hydrocarbon receptor (AHR) that may be activated by the carcinogenic pollutant 3-methylcholanthrene (3MC). Hence, we aimed to provide novel insights into the molecular mechanisms by which 3MC and E2 may activate a cross talk between AHR and GPER transduction pathways leading to the stimulation of breast cancer cells and CAFs. In particular, our results demonstrate that 3MC and E2 trigger the EGFR/ERK/c-Fos signalling through both AHR and GPER toward the up-regulation of CYP1B1 and cyclin D1 as well as the stimulation of growth responses. Altogether, the present findings suggest that a functional interaction between AHR and GPER may occur toward breast cancer progression
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    Chronic kidney disease as an age related disease: new study perspectives fron animal models to hospitalized patents
    (2019-04-11) La Russa, Daniele; Cerra, Maria Carmela; Pellegrino, Daniela; Montesanto, Alberto
    Chronic kidney disease (CKD) is a major public health problem worldwide and its main consequences include the loss of renal function leading to end-stage renal disease (ESRD), an increased risk of cardiovascular disease (CVD), a significant increase in morbidity and mortality, and a decrease in health related quality of life. The risk of CKD increases with age, though there seems to be a complex relationship between ageing and this disease: elderly patients are overrepresented in the dialysis population and geriatric complications are highly detectable in younger patients with ESRD. This has led to the hypothesis of a premature biological ageing process of different organ systems associated with CKD. The present research work was based on translational approach to study the role of many CKD risk factors such as hypertension, oxidative stress/inflammation, obesity, and hyperuricemia with the aim of identifying new molecular mechanisms of kidney damage to prevent it by successful behaviour modifications. For this purpose, both human and animal models were used. Human pathological models: in both ESRD and obese patients, the role of oxidative stress, inflammation and hyperuricemia in progression and complications of CKD was investigated. Human physiological models: in a consistent healthy population, the oxidative status and its correlation with traditional cardiovascular risk factors were examined. In addition, the health history data of centenarian subjects was utilized to study the clinical and prognostic value of traditional cardiovascular risk factors in relation to mortality. Animal models: the mechanisms renal damage, induced by hypertension (Spontaneously Hypertensive Rat) and obesity (Cafeteria diet rats), were verified. In this context, the antioxidant and cytoprotective effects of a nutraceutical (Bergamot extract) on obesity was also tested. This multilevel approach has allowed us to individually and synergistically analyze some aspects of the complex pathogenic mechanism of CKD, in order to clarify the role of the new amplifying risk factors for CKD and to prepare an effective personalized prevention plan by acting on both modifiable and non-modifiable risk factors.
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    Interface rheology of structured food
    (2019-03-18) Mileti, Olga; Cerra, Maria Carmela; Gabriele, Domenico; de Cindio, Bruno; Baldino, Noemi
    Proteins are widely used to form and to stabilize the interfacial layers in multiphase systems, due to their surface activity and their ability to give high mechanical resistance to interfacial layers. In the food industry, animal proteins are largely employed with these functions, but, because of their tendency to give rise intolerances or, simply, for etic reasons, their use is becoming more and more limited. Vegetable proteins could be a good alternative to animal proteins, thanks to their good nutritional profile and complete amino acid profile, but their interfacial rheological properties are not widely known in order to evaluate their potential use in food products such as foams and emulsions. In this PhD work, the interfacial properties of vegetable proteins were studied and the results analysed by rheological models. Three different systems were investigated A/W interface, in particular, soy, hemp and brown rice proteins. The rheological analysis was performed in dilational and shear kinematics, using the pendant drop tensiometer and the interfacial rod magnetic field rheometer, respectively. The dilational analysis was performed either in static as well in dynamic condition. The static measurements allow evaluating the saturation concentration (CMC, critical micellar concentration) and the kinetic phenomena, while the dynamic measurements help to characterize the viscoelastic film at the interface. In particular, all the dynamic tests were performed at the CMC concentration, either the frequency sweep tests (in the linearity region) as well the stress relaxation tests (in the linear region, but far from equilibrium condition). The kinetic results were interpreted by the Ward- Torday and Graham and Phillips equations, while the William Watts and the Scott Blair models were employed for the relaxation experiments. Finally, vegetable emulsions were obtained and optimized and the use of a polysaccharide was necessary for stabilising them. The study of the emulsions was carried out with the help of microscopy and drop diameter distribution. Additionally, measurements of ζ-potential and flow curve tests were also performed to characterize the system The results showed that the vegetable proteins show comparable mechanical properties and good surface activity similar to the animal proteins (such as casein or lactoglobulin), confirming them excellent substitutes in a lot of food systems
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    Impact of DNA methylation status on plant response to cd explored through a transcriptomic analysis
    (2019-04-11) Pacenza, Marianna; Bitonti, Maria Beatrice; Cerra, Maria Carmela
    Due to their sessile life style, plants are continuously exposed to a variety of abiotic and biotic stresses which could potentially hinder their growth, development, productivity and survival. In this scenario, it appears evident the relevance of epigenetic mechanisms in assuring growth plasticity to the plant and withstanding stresses through a rapid and extensive modification of gene expression in a manner that overcomes the restrictions of a highly stable DNA sequence. Epigenome landscape is largely related to DNA methylation process, which is one of the most significant players in the control of plant responses to environmental changes and stressors. On the other hand, all these responses are also under the control of an intricate signalling network which strongly involves the phytohormones, whose action is in turn influenced by epigenetic mechanisms. Despite this information, the complex mechanisms by which DNA methylation modulates plant stress responses are yet largely unresolved, mainly with respect to heavy metal stress, for which a metal- and speciesspecific response was evidenced. In order to gain further insight into these aspects, in the present work we performed a comparative transcriptomic analysis on the drm1 drm2 cmt3 (ddc) mutant of A. thaliana, defective in both maintenance and de novo DNA methylation, and WT plants exposed to a long lasting (21 days) Cd treatment at 25 and 50 μM concentrations. Attention was focused on Cd as one of the most toxic pollutants, widespread in both terrestrial and marine environment. The mutant was chosen as a suitable tool for investigating mechanisms and molecular processes that act in and are regulated by DNA methylation. Analyses of growth parameters and targeted cytophysiological features were also carried out. Concerning the results, transcriptomic analysis highlighted photosynthesis, stress responses and hormone biosynthesis as the genetic pathways more impacted by Cd treatment in both ddc mutant and WT. All these pathways are highly relevant for plant development. A more detailed analysis carried out on the pathways related to the phytohormones suggested that, under a prolonged heavy metal exposure, plant activity was directed to enhance and/or maintain the level and signalling of hormones which are relevant in sustaining the growth (auxins, cytokinins and gibberellins) more than those of hormones specifically related to stress response (jasmonic acid, abscisic acid and salicylic acid). This could represent the plant strategy to avoid the negative effects of long-lasting activity of stress-related hormones. Interestingly, such strategy could be more efficient in ddc mutant than in the WT. Indeed, likely due to a higher genome plasticity conferred to the mutant by its DNA hypomethylated status, in the ddc mutant the described transcriptomic differences have already been observed in the treatment with 25 μM Cd, while in the WT only in the treatment with 50 μM Cd. The outcome of this different modulation of gene expression was a better growth performance in ddc vs WT, as evidenced by growth parameters analysis. A tight relationship between the hormonerelated transcriptomic differences and the different cyto- morphophysiological features of ddc mutant vs WT under Cd treatment was also revealedUniversità della Calabria, Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra. Dottorato di Ricerca in Scienze della Vita. Ciclo XXXI SSD BIO/01
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    DNA methylation patterns in aging and aging phenotypes
    (2019-04-11) Guarasci, Francesco; Bellizzi, Dina; Cerra, Maria Carmela
    During my PhD program, my work has been addressed to the study of the role of epigenetic modifications in aging and in age-related phenotypes. Epigenetics is the study of changes in gene expression that do not involve changes to the underlying DNA sequence. These changes affect cellular phenotypic expression by regulating relative gene expression levels. They are a common and natural process in living cells and are tightly controlled by pre-programmed mechanisms. Epigenetics modifications can be influenced by multiple factors including environmental conditions, lifestyle, nutrition, use of drugs, disease state and age. Patterns of DNA methylation, the best known and characterized epigenetic modification, change during aging; indeed, with increasing aging, genome-wide methylation levels decrease, meanwhile genomic regions, including CpG islands, become more methylated. Analyses of the above patterns provided new perspectives for establishing powerful biomarkers of human aging which have the potential to generate accurate prediction not only of the chronological but also of the biological age. The first section of the PhD thesis consists in a comprehensive overview of the general features of DNA methylation and its implication in age and age-related diseases. The topic is addressed referring to the methylation patterns established not only at nuclear but also at mitochondrial genome level. In addition, the influence of a number of environmental factors on the above patterns is also discussed. In the second section, an original research work, carried out in order to identify novel biomarkers of aging, is reported. In this work, methylation status of nuclear genes involved in mitochondrial fusion, fission, biogenesis and mitophagy, fundamental components of the mitochondrial quality control process, was investigated in subjects of different ages of the Calabrian population. The methylation levels of RAB32 and RHOT2 genes were significantly associated with age and, in particular, those of RAB32 even with the risk of developing disability. The study, therefore, led to the identification of two new biomarkers for both chronological and biological aging. In the Appendix, research works already published are reported. The first one concerns the correlation between DNA methylation and nutrition during lifetime. Global DNA methylation profiles were examined in different tissues of rats of different ages, fed with a standard and hypocaloric diet, and their association with aging and nutrition was evaluated. The results obtained have shown that tissue-specific variations in methylation levels occur during aging and that nutrition influences the state of global DNA methylation during the course of life. The hypocaloric diet seems to influence more strongly the epigenetic status of the offspring when administered during the maternal pre-gestational period compared to the gestation and lactation period. Therefore, changes in the global DNA methylation status represent an epigenetic mechanism by which age and nutrition intersect each oth and, in turn, influence the plasticity of aging. The second one is a review on the current advances in mitochondrial epigenetics studies and the increasing indication of mtDNA methylation status as an attractive biomarker for peculiar physiological and pathological phenotypes. It comes from the increasing evidence on the fact that, similarly to nuclear DNA, also mtDNA is subject to methylation and hydroxymethylation and these modifications are influenced by multiple environmental factors.