Ο ρόλος του θυρεοειδή κατά την οντογένεση και την αναστροφή του φύλου στην τσιπούρα (Sparus aurata)

Abstract

It is well known, that the thyroid hormones thyroxine and triiodothyronine (TH, T4, T3) have important effects on many physiological processes, such as development, metabolism and reproduction in all vertebrates. They play a crucial role during ontogeny and without TH most organisms will not develop into the physiological adult form. As in all vertebrates, TH are essential also during the early development of fishes, with the most striking example the metamorphosis of flatfish, which is known to be TH-dependent. As far as the the regulation of sexual maturation of teleosts is concerned, it seems that thyroid hormones are involved, but further studies are necessary. Among all vertebrates, teleosts are the only group where the fascinating phenomenon of sex reversal occurs. The gilthead sea bream (Sparus aurta) belongs to those species, being a protandrous hermaphrodite and which could be considered as a model organism for the sparid family because of the wide range of knowledge as far as the general biology of this species is concerned. The aim of the present study was to determine the role of the thyroid system during ontogeny and sex reversal in the gilthead sea bream, two very important stages in the life-cycle of this species. To achieve this goal, the pattern of changes of thyroid hormone concentrations in combination with two important factors of the thyroid system were investigated for the first time: (1) the three types of deiodinases (DIO1, DIO2, DIO3), enzymes which regulate the peripheral levels of the biologically active form T3, and (2) the two types of thyroid hormone receptors (TR-α, TR-β), which are nuclear receptors through which TH excert their physiological action by regulating gene expression. Concerning the impact of TH on ontogeny in sea ream, TH concentrations as well as gene expression patterns support the hypothesis that thyroid hormones are essential especially during the first stages of early development (embryo, hatching) but also during metamorphosis, excerting their action in a stage-dependent manner. The present results support also the hypothsis, that water temperature influences the function of thyroid system in fish, since changes in gene expression of both, DIOs as well as TRs were observed in larvae held in different temperatures. Water temperature also affected growth rate in sea bream larvae, with a different growth performance in different temperatures. During sex reversal, the testis degenrates and at the same time the gonad develops into a functional ovary resulting in sexual mature females. The gene expression profiles of the deiodinases and thyroid hromone receptors in correlation with the pattern of changes in the ovary leads to the conclusion, that TH are involved in ovary development and maturation. In contrast, the results of all parameters studied in testis seem to be confusing, since the levels of the «activators» of the thyroid system (TH, DIO1, DIO2) increase, while thyroid hormone receptor expression decreases. In conclusion, the present results agree with some hypotheses, while they arise new ones concerning the functional level of thyroid hormone action. In any case the present results set the basis for further investigations leading to a deeper understanding of thyroid hormone action during ontogeny and sex reversal in teleosts.

Οι θυρεοειδικές ορμόνες θυροξίνη και τριϊωδοθυρονίνη (ΤΗ, Τ4, Τ3) είναι γνωστές για το ρυθμιστικό τους ρόλο σε πληθώρα φυσιολογικών διαδικασίων, όπως είναι η ανάπτυξη, ο μεταβολισμός και η αναπαραγωγή σε όλες τις ομάδες των σπονδυλωτών. Είναι ιδιαίτερα σημαντικές κατά την οντογένεση και απουσία τους οι περισσότεροι οργανισμοί δεν μπορούν να αναπτυχθούν φυσιολογικά και να φτάσουν στην ενήλικη τους μορφή. Έτσι, είναι καθοριστικές και κατά την πρώτη ανάπτυξη των ιχθύων με πιο εντυπωσιακό παράδειγμα τη μεταμόρφωση των πλατύψαρων, ένα φαινόμενο που εξαρτάται πλήρως από τη δράση των ΤΗ. Όσον αφορά στην σεξουαλική ωρίμανση των ιχθύων, ο ρόλος τους δεν έχει διελευκανθεί άκομα σε ικανοποιητικό επίπεδο, όμως εικάζεται ότι εμπλέκονται και σε αυτή τη διαδικασία. Μεταξύ όλων των ομάδων των σπονδυλωτών, οι τελεόστεοι είναι η μοναδική που φιλοξενεί είδη που παρουσιάζουν το συναρπαστικό φαινόμενο της αλλαγής του φύλου. Σε αυτή την κατηγορία ανήκει και η τσιπούρα (Sparus aurata) που είναι πρώτανδρο ερμαφρόδιτο είδος, και που μπορεί να θεωρηθεί οργανισμός μοντέλο της οικογένειας των Sparidae λόγω των γνώσεων που υπάρχουν σήμερα για τη γενικότερη της βιολογία. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση του ρόλου του θυρεοειδή κατά την οντογένεση και την αλλαγή του φύλου στην τσιπούρα, δύο εξαιρετικά κρίσιμες φάσεις του κύκλου ζωής της. Η ερευνητική προσέγγιση περιελάμβανε για πρώτη φορά την ταυτόχρονη μελέτη των μεταβολών των συγκεντρώσεων των ΤΗ καθώς και της γονιδιακής έκφρασης δύο καθοριστικών παραγόντων για την δράση των ΤΗ, που είναι: (1) Οι τρεις τύποι των αποϊωδινασων (DIO1, DIO2, DIO3) που είναι τα ένζυμα που ρυθμίζουν τα περιφερικά επίπεδα της βιολογικά δραστικής μορφής των ΤΗ, τριϊωδοθυρονίνη (Τ3), και (2) οι οι δύο τύποι των υποδοχέων των θυρεοειδικών ορμονών (TR-α, TR-β), που ανήκουν στην κατηγορία των νουκλεϊκών υποδοχέων και μέσω των οποίων επιτελείται η δράση των ΤΗ ρυθμίζοντας την έκφραση γονιδίων στόχους. Όσον αφορά στην οντογένεση, οι συγκεντρώσεις των ΤΗ αλλά και τα πρότυπα έκφρασης των υπό εξέταση γονιδίων υποστηρίζουν την υπόθεση ότι οι θυρεοειδικές ορμόνες είναι ιδιαίτερα σημαντικές κατά τα πρώτα στάδια της οντογένεσης (έμβρυο και εκκόλαψη) καθώς και την μεταμόρφωση της τσιπούρας, εκδηλώνοντας τη δράση τους σε στάδιο-ειδικό επίπεδο. Τα παρούσα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν επίσης την υπόθεση της επίδρασης της θερμοκρασίας του νερού στη λειτουργία του θυρεοειδικού συστήματος στα πρώτα αναπτυξιακά στάδια των ιχθύων. Παρατηρήθηκαν διαφορές στην έκφραση τόσο των DIOs όσο και των TRs και ταυτόχρονα αλλαγές του ρυθμού ανάπτυξης των νυμφών τσιπούρας εκτρεφόμενες σε διαφορετικές θερμοκρασίες του νερού. Κατά την αλλαγή του φύλου στην τσιπούρα, το ορχικό τμήμα της γονάδας εκφυλίζεται και τα άτομα παύουν να είναι λειτουργικά αρσενικά, ενώ το ωοθηκικό τμήμα αναπτύσσεται με αποτέλεσμα την ωρίμανση των ατόμων ως αναπαραγωγικά δραστήρια θηλυκά. Τα πρότυπα έκφρασης των γονιδίων που κωδικοποιούν τις αποϊωδινάσες και τους θυρεοειδικούς υποδοχείς σε σχέση με τις μεταβολές των συγκεντρώσεων των θυρεοειδικών ορμονών στο ωοηικικό τμήμα της γονάδας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι οι ΤΗ συμβάλλουν στην ωρίμανση της ωοθήκης. Αντιθέτως, τα αποτλέσματα που αφορούν τα την μεταβολή των εξεταζόμενων παραγόντων είναι μεν αντιφατικά, αλλά ενδιαφέρον: όσο εκφυλίζεται ο ορχικός ιστός, τα επίπεδα των «ενεργοποιητών» του θυρεοειδικού συστήματος (TH, DIO1, DIO2) ανεβαίνουν με ταυτόχρονη πτώση της έκφρασης των ΤRs. Στο σύνολό τους, τα παρούσα αποτελέσματα συνηγορούν υπέρ υποθέσεων και ταυτόχρονα θέτουν νέα ερωτήματα όσον αφορά στην λειτουργία του θυρεοειδικού συστήματος. Σε κάθε περίπτωση θέτουν τη βάση για περαιτέρω μελέτες για την βαθύτερη κατανόηση του ρόλου των θυρεοειδικών ορμονών στα πλαίσια της οντογένεσης και αναπαραγωγής των τελεόστεων.