การศึกษาการปรากฎและการกระจายของ GABA และ dopamine ในอวัยวะที่ช่วยในการลงเกาะของลูกปลิงทะเลขาว Holothuria scabra

Highlight:

ในการศึกษาครั้งนี้ คณะผู้วิจัยได้ทำการตรวจสอบการปรากฏและการกระจายของ GABA และ DA ในระยะตัวอ่อนขั้นต่างๆของ H. scabra โดยได้เน้นศึกษาเป็นพิเศษที่อวัยวะที่ช่วยในการลงเกาะ (settlement organs, SOs) ซึ่งพบว่า มีการปรากฏ และการกระจายแบบจำเพาะของเซลล์และเส้นใย GABA และ DA ในโครงสร้าง SO หลายโครงสร้าง รวมถึง ซีเลียรีแบนด์ (ciliary bands, CiBs), เทนทาเคิล (tentacle, Ts) และโพเดีย (PDs) ของตัวอ่อน H. scabra นอกจากนี้ คณะผู้วิจัยยังพบว่า จำนวนเซลล์และความเข้มของ GABA-ir และ DA-ir-positive ใน CiBs, Ts และ PDs ในระหว่างขั้นตอนการพัฒนาของตัวอ่อนในระยะต่างๆนั้น มีการเปลี่ยนแปลงที่จำเพาะไปตามระยะการพัฒนาของตัวอ่อน ในการศึกษานี้ คณะผู้วิจัยเป็นกลุ่มแรกแรกที่ได้ศึกษาเกี่ยวกับการปรากฏ ของระบบ GABAergic และ dopaminergic ในโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับการลงเกาะของปลิงทะเล H. scabra ซึ่งการค้นพบนี้ได้ให้ข้อมูลบ่งชี้ที่สำคัญที่บ่งชี้ถึงบทบาทและกลไกที่สำคัญของสารสื่อประสาททั้งสองนี้ในการควบคุมการลงเกาะของปลิงทะเล H. scabra

ที่มาและความสำคัญ

In the sea cucumber, Holothuria scabra, the competent larvae require main settlement organs (SOs), including the ciliary bands, tentacles, and podia, as well as cues from major neurotransmitters, including gamma-aminobutyric acid (GABA) and dopamine (DA), for successful settlement. However, the presence and differential expression of DA during the developmental stages in H. scabra, have not yet been investigated. Additionally, the exact location for the production and secretion of these two neurotransmitters in the SO needs to be characterized so that this important knowledge may help increase the production of this sea cucumber species. In the present study, we investigated and mapped the presence and distribution of GABA and DA in several organs that may be involved in mediating the settlement of H. scabra larvae, with special emphasis on SOs, during different developmental stages. Our findings shed important light on the anatomical localization and potential implications of the two neurotransmitter systems in SOs to control the larval settlement process in this sea cucumber species.

Abstract

In the sea cucumber, Holothuria scabra, the competent larvae require main settlement organs (SOs), including the ciliary bands (CiBs), tentacles (Ts), podia (PDs), and cues from neurotransmitters, including gamma-aminobutyric acid (GABA) and dopamine (DA), for successful settlement. In the present study, we investigated the spatial distribution of GABA and DA in the developmental stages of H. scabra, with special emphasis on SOs by detecting immunoreactivity (-ir) against these two neurotransmitters. Strong GABA-ir and DA-ir cells and fibers were specifically detected in several SO structures, including CiBs, CiB cells (CiBCs), and long cilia (LCi), of H. scabra larvae. Additionally, we found intense GABA-ir and DA-ir cells in the epithelial lining of bud-papillae (BP) and mesothelium (Me) in the stem (S) region of Ts in larvae and juveniles. Intense GABA-ir and DA-ir were observed in the epineural nerve plexus (ENP) and hyponeural nerve plexus (HNP) of Ts in H. scabra pentactula and juvenile stages. Staining for these two neurotransmitters was particularly intense in the PDs and their nerve fibers. We also found significant changes in the numbers of GABA-ir and DA-ir-positive cells and intensities in the CiBs, Ts, and PDs during the developmental stages. Taken together, we are the first to report on the existence and distribution of GABAergic and dopaminergic systems in structures associated with the settlement. Our findings provide new and important insights into the possible functions of these two neurotransmitters in regulating the settlement of this sea cucumber species.

Keywords: GABA, Dopamine, Settlement organs, Sea cucumber, Holothuria scabra

Citation: Nontunha N, Tinikul R, Chaichotranunt S, Poomtong T, Sobhon P, Tinikul Y. (2023). The presence and distribution of gamma-aminobutyric acid and dopamine during the developmental stages of the sea cucumber, Holothuria scabra, with emphasis on settlement organs. Cell Tissue Res391, 457–483 (2023). https://doi.org/10.1007/s00441-023-03739-9

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นางสาวนิตติญา นนทันหา
แหล่งทุนวิจัย: Mahidol University (Fundamental Fund: Basic Research Fund, fiscal year 2022), Agricultural Research Development Agency, Thailand Science Research and Innovation and Mahidol University, and Faculty of Science, Mahidol University.

ฤทธิ์ของสารสกัดจากปลิงทะเลขาวในการป้องกันเซลล์ประสาทและต้านโรคความจำเสื่อมอัลไซเมอร์

Highlight

สารสกัดจากปลิงทะเลขาว สามารถลดการเกาะกลุ่มของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าซึ่งเป็นสาเหตุหลักของโรคความจำเสื่อมอัลไซเมอร์ และสามารถฟื้นฟูเซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเนื้อที่ถูกทำลาย รวมถึงลดอนุมูลอิสระและเพิ่มอายุขัยเฉลี่ยของสัตว์ทดลองที่เป็นโรคอัลไซเมอร์ได้

ที่มาและความสำคัญ

โรคอัลไซเมอร์เป็นโรคความเสื่อมระบบประสาทลำดับต้นๆ ซึ่งปัจจุบันยังไม่มียารักษาที่มีประสิทธิภาพ ปลิงทะเลดำถูกนำมาใช้เป็นอาหารและสารบำรุงสุขภาพในประเทศแถบเอเชียอย่างยาวนาน การศึกษาวิจัยนี้จึงศึกษาการออกฤทธิ์ของสารสกัดจากปลิงทะเลดำในการลดความเป็นพิษจากการเกาะกลุ่มของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้า ซึ่งเป็นพยาธิสภาพหลักของโรค เพื่อเป็นแนวทางในการป้องกันและรักษาโรคอัลไซเมอร์ต่อไป

Abstract

Background and aim

Alzheimer’s disease (AD) is the most common aged-related neurodegenerative disorder that is associated with the toxic amyloid-β (Aβ) aggregation in the brain. While the efficacies of available drugs against AD are still limited, natural products have been shown to possess neuroprotective potential for prevention and therapy of AD. This study aimed to investigate the neuroprotective effects of H. scabra extracts against Aβ aggregation and proteotoxicity in C. elegans model of Alzheimer’s diseases.

Experimental procedure

Whole bodies (WB) and body wall (BW) of H. scabra were extracted and fractionated into ethyl acetate (WBEA, BWEA), butanol (WBBU, BWBU), and ethanol (BWET). Then C. elegans AD models were treated with these fractions and investigated for Aβ aggregation and polymerization, biochemical and behavioral changes, and level of oxidative stress, as well as lifespan extension.

Results and conclusion

C. elegans AD model treated with H. scabra extracts, especially triterpene glycoside-rich ethyl acetate and butanol fractions, exhibited significant reduction of Aβ deposition. These H. scabra extracts also attenuated the paralysis behavior and improved the neurological defects in chemotaxis caused by Aβ aggregation. Immunoblot analysis revealed decreased level of Aβ oligomeric forms and the increased level of Aβ monomers after treatments with H. scabra extracts. In addition, H. scabra extracts reduced reactive oxygen species and increased the mean lifespan of the treated AD worms. In conclusion, this study demonstrated strong evidence of anti-Alzheimer effects by H. scabra extracts, implying that these extracts can potentially be applied as natural preventive and therapeutic agents for AD.

KEYWORDS: Alzheimer’s disease, Amyloid-β, Neuroprotection, Sea cucumber, Caenorhabditis elegans

Citation: Kleawyothatis W, Jattujan P, Chumphoochai K, Chalorak P, Sobhon P, Meemon K. Holothuria scabra extracts confer neuroprotective effect in C. elegans model of Alzheimer’s disease by attenuating amyloid-β aggregation and toxicity. J Tradit Complement Med. 2023;13(1):93-104. doi: 10.1016/j.jtcme.2022.10.006.

RELATED SDGs:

3. GOOD HEALTH AND WELL-BEING

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ไกร มีมล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ไกร มีมล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: Warannida Kleawyothatis
แหล่งทุนวิจัย: Mahidol University (Basic Research Fund: fiscal year 2021 to Krai Meemon, and a graduate research support grant (2020) from Mahidol Alumni Association, Mahidol University to Warannida Kleawyothatis
Credit ภาพ: รองศาสตราจารย์ ดร.ไกร มีมล

การศึกษาการออกฤทธิ์ และการแสดงออก ของ prostaglandin E2 ในปลิงทะเลขาว Holothuria scabra

Highlight:
ในการศึกษานี้ คณะผู้วิจัยได้ค้นพบและทำการศึกษาคุณลักษณะของ prostaglandin synthase (PGES) ในปลิงทะเลขาว H. scabra ชื่อว่า Hs-cPGES3 และได้ทำการศึกษาการแสดงออกของ Hs-cPGES3 mRNA expression levels พบว่า มีระดับสูงในอวัยวะสืบพันธุ์ระยะแรก (early stages) และค่อยๆลดลงในระยะสุดท้าย (late gonadal stages) กลุ่มที่ฉีดด้วย prostaglandin E2 (PGE2) กระตุ้นการพัฒนาของรังไข่ อัณฑะ และกระตุ้นการพัฒนาของเซลล์สืบพันธุ์ อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม ดังนั้นผลการวิจัยที่นี้ได้รับองค์ความรู้พื้นฐานใหม่ที่สำคัญเกี่ยวกับบทบาทและการแสดงออกของ PGE2 และ PGES ในอวัยวะสืบพันธุ์ และอาจจะนำไปประยุกต์ใช้ในการช่วยเพิ่มการผลิตของปลิงทะเลขาวซึ่งเป็นสัตว์น้ำเศรษฐกิจที่สำคัญชนิดนี้ได้

ที่มาและความสำคัญ
The white sea cucumber, Holothuria scabra, is among the highest-priced economic marine species in the commercial fisheries of the tropical Indo-Pacific region, including Thailand (Hamel et al., 2001; Purcell et al., 2012). This animal has the high nutrient quality and richness in medicinal substances (Demeuldre and Eeckhaut, 2012). There is a high risk of overfishing this species which greatly affects the wild population. In the past few years, attempts have been made to produce this species by aquaculture. However, the breeding of H. scabra broodstocks in captivity is partially successful because their gonads fail to fully develop, and only a limited quantity of gametes can be obtained with a prolonged spawning period (Chiyamoon et al., 2020b; Nontunha et al., 2021). Therefore, the identification of some important hormonal factors, that regulate gonadal development and gametogenesis, is important and necessary for increasing the production of gametes for mass production of this sea cucumber species by aquaculture. However, important questions remain whether PGE2 plays a critical role in the reproduction of the sea cucumber H. scabra. Therefore, we characterized Hs-cPGES3, a key enzyme involved in PGE2 biosynthesis, and further examined the presence and distribution of PGES and PGE2 in the gonadal tissues. Functionally, we then investigated the roles of PGE2 in gonadal development and gametogenesis of H. scabra by using bioassays.

Abstract 
Prostaglandin E2 (PGE2) plays important roles in several physiological processes, including reproduction of several marine invertebrate species. The aims of the present study were to characterize the putative prostaglandin E synthase (PGES), an enzyme that is involved in the PGE2 biosynthetic pathway, in the sea cucumber, H. scabra. We then examined the presence and distribution of PGES and PGE2 in gonadal tissues using RT-qPCR and immunohistochemistry, and further investigated the effects of PGE2 on gonadal development and germ cell proliferation by using functional assays. Transcriptomic data and molecular cloning analyses from gonadal tissues of H. scabra were performed, and these tissues were found to have the PGES in H. scabra, namely Hs-cPGES3. By using RT-qPCR, the Hs-cPGES3 mRNA expression levels were higher at the early stages than the late stages of the gonadal cycle. In addition, the presence of PGE2 and its corresponding enzyme, Hs-cPGES3, was detected in the gonads with the highest intensities appearing in gamete cytoplasm during the early stages than those at the late stages. Functionally, PGE2, at the doses of 50 and 500 ng/g BW, significantly promoted gonadal development, gonado-somatic index (GSI), gonadal tube diameters, and increased germ cell proliferation, compared with those of the control animals (P < 0.05). Taken together, our findings are the first to demonstrate the presence of PGE2 and its biosynthetic-associated enzymes in the gonadal tissues, and its effects on gonadal development and germ cell proliferation in this sea cucumber. The knowledge gained would improve understanding of PGE2 mechanism in controlling gonadal development, which could be useful in enhancing the production of seeds for aquaculture of H. scabra.

Keywords: Sea cucumber, Holothuria scabra, Prostaglandin E2, Prostaglandin synthase, Gonadal development, Aquaculture

Citation:
Nontunha N, Tinikul T, Chaiyamoon A, Vetkama W, Thongbuakaew T, Chaichotranunt S, Poomtong T, Sobhon P, Tinikul Y. (2022). The effects of prostaglandin E2 on gonadal development and germ cell proliferation, and its presence during the gonadal cycle in the sea cucumber, Holothuria scabra. Aquaculture 555C, 738201. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2022.738201

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นางสาวนิตติญา นนทันหา นางสาววรินทิพย์ เวชกามา
แหล่งทุนวิจัย: Agricultural Research Development Agency, Thailand Research Fund (TRF), Thailand Science Research and Innovation and Mahidol University, Mahidol University (Fundamental Fund: Basic Research Fund, fiscal year 2022), and Faculty of Science, Mahidol University.

การศึกษาคุณลักษณะ การแสดงออก และการออกฤทธิ์ ของ TRH/GnRH-like peptides ในปลิงทะเลขาว Holothuria scabra

Highlight:
สารสื่อประสาท GABA, Dopamine, L-DOPA, และ monosodium glutamate (MSG) สามารถกระตุ้นการลงเกาะ (larval settlement), กระตุ้น metamorphosis และเพิ่มอัตราการอยู่รอด (survival rates) ของลูกปลิงทะเล H. scabra ทั้งในระดับห้องปฎิบัติการและระดับการเพาะเลี้ยง นอกจากนี้ลูกปลิงทะเลที่ถูกกระตุ้นด้วยสารสื่อประสาท ยังสามารถกระตุ้นอัตราการเจริญเติบโต (growth rates) และสามารถเพิ่มอัตราการเจริญเข้าสู่ระยะจูวิไนล์ ได้เร็วขึ้น ดังนั้นสารสื่อประสาทเหล่านี้ สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในระดับเพาะเลี้ยงของปลิงทะเลเพื่อเพิ่มผลผลิตในเชิญพาณิชย์ต่อไป

ที่มาและความสำคัญ
The sea cucumber, Holothuria scabra, is a high-value economic animal in Thailand for local consumption and exportation. One major drawback in aquaculture of this species is that their larvae have low settlement and survival rates during the early developmental period. Previous reports have shown that several potential inducers, including neurotransmitters (e.g., GABA, dopamine), have potential role to promote larval settlement in marine invertebrates. Until now, the investigation of roles and possible mechanisms of these neurotransmitters on larval settlement in H. scabra has not yet been investigated. Therefore, important knowledge gained here provides regarding the role and possible mechanisms of these neurotransmitters in regulating the larval settlement, and they could further be used to enhance high settlement, metamorphosis, and survival rates, which will have high impact on aquaculture of this sea cucumber species.

Abstract 
The sea cucumber, Holothuria scabra, is a high-value economic animal in Thailand for local consumption and exportation. One major drawback in aquaculture of this species is that their larvae have low settlement and survival rates during the early developmental period. In the present study, we investigated the effects of various neurotransmitters, including GABA, dopamine (DA), L-DOPA, and monosodium glutamate (MSG) on larval settlement in both laboratory and practical models. In laboratory models, treatments of doliolaria with GABA or MSG, at a dose of 10⁻¹ mM for 72 h could induce larval settlement at about 90% and 93%, respectively, compared with the control group (about 20%) (P < 0.05), while treatments with DA or L-DOPA at a dose of 10⁻² mM for 12 h, were capable of inducing 100% settlement, compared with the control group (P < 0.05). In practical models, at day 37 after treatment, GABA or MSG significantly induced larvae to settle and survive at approximately 6% and 4%, respectively, while L-DOPA induced at about 3%, compared with the control group (about 0.2%) (P < 0.05). At day 37, all neurotransmitters-treated groups exhibited faster growth rates, while at 51 days, the growth rates of groups treated with DA, L-DOPA and MSG were faster, than the control group. GABA- and DA-treated groups also attained juvenile features earlier than MSG and L-DOPA-treated groups, and control groups. Taken together, this study shows significant effects of neurotransmitters on inducing settlement, increased metamorphosis and survival rates of the larvae of this sea cucumber, which could potentially be applied to enhance the production of this sea cucumber species.

Keywords: Sea cucumber, Holothuria scabra, Larval settlement, Neurotransmitters, Aquaculture

Citation: Nittiya Nontunha, Arada Chaiyamoon, Supakant Chaichotranunt, Ruchanok Tinikul, Tanes Poomtong, Prasert Sobhon, Yotsawan Tinikul,
Neurotransmitters induce larval settlement and juvenile growth of the sea cucumber, Holothuria scabra, Aquaculture, Volume 535, 2021, 736427, ISSN 0044-8486,
https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2021.736427.

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นางสาวนิตติญา นนทันหา นางสาวอารดา ไชยมูล
แหล่งทุนวิจัย: Agricultural Research Development Agency, The Thailand Research Fund and Mahidol University, Faculty of Science, Mahidol University

การศึกษาคุณลักษณะ การแสดงออก และการออกฤทธิ์ ของ TRH/GnRH-like peptides ในปลิงทะเลขาว Holothuria scabra

Highlight:
จากการศึกษาวิจัยพบว่า hsTRH/GnRH precursor ประกอบด้วย short hsTRH/GnRH และ long hsTRH/GnRH-like peptides และ hsTRH/GnRH gene พบการแสดงออกสูงใน radial nerve cord และไข่ระยะเต็มวัย นอกจากนั้น short hsTRH/GnRH peptide มีความสามารถในการกระตุ้นการพัฒนาของต่อมเพศและเพิ่มการพัฒนาของไข่ ทางคณะผู้วิจัยเสนอแนะว่า hsTRH/GnRH neuropeptides นี้อาจจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้การกระตุ้นต่อมเพศและพัฒนาของเซลล์สืบพันธุ์ของปลิงทะเลชนิดนี้ในระบบเพาะเลี้ยงได้

ที่มาและความสำคัญ
The gonadal development and production of seeds remain the main bottlenecks in aquaculture of the sea cucumber, Holothuria scabra. Hence, investigation and application of certain neurohormonal factors could reduce these problems. The TRH was first identified in the sea urchin, S. purpuratus, and it was believed to be related to the GnRH-type peptide. However, there is a current lack of important knowledge regarding this neuropeptide in H. scabra. This led us to hypothesize that TRH/GnRH neuropeptides may exist in this sea cucumber species, and that TRH/GnRH-like peptide may be involved in controlling reproduction, particularly ovarian development and oocyte maturation of H. scabra resembling GnRH functions. The basic knowledge obtained here contributes important new insights into the evolution and possible mechanisms of TRH/GnRH neuropeptide system in H. scabra, and these neuropeptides could be applied for promoting the seed and larval productivity in sea cucumber aquaculture.

Abstract 
Thyrotropin/Gonadotropin-releasing hormone (TRH/GnRH) is a neurohormone that plays important roles in regulation of several physiological processes of invertebrate species, including echinoderms. The aims of this study were to characterize for the first time a TRH/GnRH-like peptide in the sea cucumber, Holothuria scabra. We have isolated a full-length cDNA for a TRH/GnRH preprohormone gene from the radial nerve cord of H. scabra. We found that H. scabra (hs)TRH/GnRH precursor comprised two types of peptides, namely, the short TRH/GnRH-like peptides and the long TRH/GnRH-like peptides. The expression of hsTRH/GnRH gene, was intense in radial nerve cord, nerve ring and mature ovary by using RT-PCR. By in situ hybridization the transcripts of hsTRH/GnRH was detected at a high level within the late stages (oocyte stages 3 and 4). In the functional assays, injections of the short TRH/GnRH-like peptides could significantly accelerate gonadal development as reflected by increased gonadal-somatic index (GSI), and stimulated gametogenesis, as reflected by significantly increased oocyte proliferation. Taken together, our new discovery of the TRH/GnRH-like peptides in H. scabra contributes important new insights into the evolution of TRH/GnRH neuropeptide system in this sea cucumber species, and these neuropeptides could be potentially applied in the sea cucumber aquaculture.

Keywords: Thyrotropin-releasing hormone, Sea cucumber, GnRH, Holothuria scabra, Echinoderm, Oocyte maturation

Citation: Arada Chaiyamoon, Ruchanok Tinikul, Nittiya Nontunha, Supakant Chaichotranunt, Tanes Poomtong, Prasert Sobhon, Yotsawan Tinikul, Characterization of TRH/GnRH-like peptides in the sea cucumber, Holothuria scabra, and their effects on oocyte maturation, Aquaculture,
Volume 518, 2020, 734814, ISSN 0044-8486,
https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2019.734814.

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นางสาวอารดา ไชยมูล นางสาวนิตติญา นนทันหา
แหล่งทุนวิจัย: Agricultural Research Development Agency, The Thailand Research Fund and Mahidol University, Faculty of Science, Mahidol University

ฤทธิ์ของ Cyclic Ether 2-Butoxytetrahydrofuran จากปลิงทะเลขาวในการลดความเป็นพิษของอะไมลอยด์สะสมในสัตว์ทดลอง Caenorhabditis elegans และปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้อง

Highlight:
สารสกัด 2-butoxytetrahydrofuran (2-BTHF) จากปลิงทะเลขาว สามารถลดการเกาะกลุ่มเป็น oligomer ของโปรตีนอะไมลอยด์-เบต้าซึ่งเป็นสาเหตุของโรคความจำเสื่อมอัลไซเมอร์ และป้องกันเซลล์ประสาทจากการถูกทำลายได้ โดยสารสกัด 2-BTHF ออกฤทธิ์โดยการทำปฏิกิริยาเคมีกับโปรตีน heat shock factor 1 (HSF-1) เพื่อกระตุ้นการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับกลไก autophagy ในการสลายโปรตีนอะไมลอยด์เบต้า

ที่มาและความสำคัญ
การสะสมและเกาะกลุ่มกันของโปรตีนอะไมลอยด์-เบต้า เป็นพยาธิสภาพอย่างหนึ่งซึ่งเป็นสาเหตุของโรคความจำเสื่อมอัลไซเมอร์ ในการศึกษาวิจัยนี้จึงได้ทำการสกัดแยกสาร 2-butoxytetrahydrofuran (2-BTHF) จากปลิงทะเลขาวและนำมาทดสอบศักยภาพในการต้านโรคอัลไซเมอร์โดยศึกษาการเกาะกลุ่มของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าในสัตว์ทดลองต้นแบบ Caenorhabditis elegans ผลการทดลองพบว่าสารสกัด 2-BTHF สามารถลดการอ่อนแรงของกล้ามเนื้อซึ่งเกิดจากพิษที่มีการสะสมของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าได้ และมีความสามารถในการป้องกันเซลล์ประสาทจากการถูกทำลายได้ ผลจากการย้อมโปรตีนพบว่าสารสกัด 2-BTHF ไม่มีผลต่อระดับของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าโมเลกุลเดี่ยว แต่จะมีผลลดการสะสมของโปรตีนที่รวมกลุ่มกันเป็น oligomer ซึ่งมีพิษต่อเซลล์ได้ นอกจากนี้สารสกัด 2-BTHF ยังมีผลลดระดับอนุมูลอิสระซึ่งเกิดจากการสะสมเกาะกลุ่มของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้า ผลการวิจัยเชิงลึกพบว่าสารสกัด 2-BTHF ออกฤทธิ์โดยการทำปฏิกิริยาเคมีกับโปรตีน heat shock factor 1 (HSF-1) ที่ตำแหน่ง histidine 63 และ glutamine 72 เพื่อกระตุ้นการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับกลไก autophagy ในการสลายโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าที่เกาะกลุ่มกันและลดความเป็นพิษดังกล่าวได้ ดังนั้น ผลการวิจัยนี้จึงชี้ให้เห็นถึงศักยภาพของสารสกัด 2-BTHF ในการสลายโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าที่เกาะกลุ่มกันเพื่อลดความเป็นพิษของโปรตีนอะไมลอยด์เบต้าผ่านทางโปรตีน heat shock factor 1 (HSF-1) และกลไก autophagy ซึ่งจะนำไปสู่แนวทางการรักษาโรคความจำเสื่อมอัลไซเมอร์ต่อไป

Abstract
The pathological finding of amyloid-β (Aβ) aggregates is thought to be a leading cause of untreated Alzheimer’s disease (AD). In this study, we isolated 2-butoxytetrahydrofuran (2-BTHF), a small cyclic ether, from Holothuria scabra and demonstrated its therapeutic potential against AD through the attenuation of Aβ aggregation in a transgenic Caenorhabditis elegans model. Our results revealed that amongst the five H. scabra isolated compounds, 2-BTHF was shown to be the most effective in suppressing worm paralysis caused by Aβ toxicity and in expressing strong neuroprotection in CL4176 and CL2355 strains, respectively. An immunoblot analysis showed that CL4176 and CL2006 treated with 2-BTHF showed no effect on the level of Aβ monomers but significantly reduced the toxic oligomeric form and the amount of 1,4-bis(3-carboxy-hydroxy-phenylethenyl)-benzene (X-34)-positive fibril deposits. This concurrently occurred with a reduction of reactive oxygen species (ROS) in the treated CL4176 worms. Mechanistically, heat shock factor 1 (HSF-1) (at residues histidine 63 (HIS63) and glutamine 72 (GLN72)) was shown to be 2-BTHF’s potential target that might contribute to an increased expression of autophagy-related genes required for the breakdown of the Aβ aggregate, thus attenuating its toxicity. In conclusion, 2-BTHF from H. scabra could protect C. elegans from Aβ toxicity by suppressing its aggregation via an HSF-1-regulated autophagic pathway and has been implicated as a potential drug for AD.

KEYWORDS: Alzheimer’s disease, amyloid-β, 2-butoxytetrahydrofuran, C. elegans, H. scabra, sea cucumber

Citation: Tangrodchanapong, T.; Sornkaew, N.; Yurasakpong, L.; Niamnont, N.; Nantasenamat, C.; Sobhon, P.; Meemon, K. Beneficial Effects of Cyclic Ether 2-Butoxytetrahydrofuran from Sea Cucumber Holothuria scabra against Aβ Aggregate Toxicity in Transgenic Caenorhabditis elegans and Potential Chemical Interaction. Molecules2021, 26, 2195. https://doi.org/10.3390/molecules26082195

RELATED SDGs:

3. GOOD HEALTH AND WELL-BEING

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ไกร มีมล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ไกร มีมล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: Taweesak Tangrodchanapong
แหล่งทุนวิจัย: Royal Golden Jubilee (RGJ) Ph.D. scholarship and Mahidol University (Basic Research Fund: fiscal year 2021))

การพัฒนาของเซลล์ไข่จนถึงระยะสมบูรณ์ภายในรังไข่ของปลิงทะเลขาว

ที่มาและความสำคัญ
ปลิงทะเลขาว (Holothuria scabra) เพศเมียในระยะตัวเต็มวัย มีช่วงการพัฒนาของรังไข่แบบวงรอบจากขั้นต้นจนถึงขั้นการพัฒนาแบบสมบูรณ์เต็มที่ ในแต่ละช่วงของการพัฒนาของรังไข่จะประกอบด้วยเซลล์ไข่ตั้งแต่ระยะต้นจนถึงระยะปลาย (Oc1-Oc4) ที่มีการกระจายตัวในปริมาณที่แตกต่างกัน จากการศึกษาในระดับจุลทรรศน์อิเล็กตรอนพบว่า เซลล์ Oc1 มีขนาดเล็ก นิวเคลียสกลมและเกาะติดกับชั้นเนื้อเยื่อเกี่ยวพันของผนังรังไข่ เซลล์ Oc2 รูปร่างกลม นิวเคลียสมีใยโครมาตินขนาดใหญ่กระจายไปตามขอบ ภายในไซโตปลาสซึมมีไมโตคอนเดรียเรียงตัวอยู่ด้านข้าง พบไรโบโซมและร่างแหเอ็นโดพลาสมิกอยู่หนาแน่นแสดงถึงกระบวนการสร้างโปรตีนมาก เซลล์ Oc3 มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก นิวเคลียสมีใยโครมาตินละเอียดคลี่กระจายอยู่ พบเม็ดแกรนูลหลายชนิดในไซโตปลาสซึมซึ่งสัมพันธ์กับการสร้าง yolk matrix, หยดไขมัน, ชั้นวุ้นคลุมด้านนอกเซลล์ เซลล์ Oc4 มีขนาดใหญ่ที่สุดมีชั้นวุ้นหุ้มอยู่โดยรอบ ภายในไซโตปลาสซึมมีเม็ดแกรนูลหนาแน่นโดยเฉพาะชนิด cortical granule ซึ่งเรียงตัวอยู่ติดขอบเซลล์เพื่อเตรียมความพร้อมในการรับการผสมกับเซลล์อสุจิเมื่อเกิดการปฏิสนธิ เซลล์ Oc4 จัดเป็นระยะพัฒนาสมบูรณ์ของเซลล์ไข่ภายในรังไข่ ซึ่งจะหลุดออกจากผนังรังไข่และพร้อมเคลื่อนตัวออกจากท่อรังไข่ได้ ลักษณะโครงสร้างของเซลล์สืบพันธุ์และการกระจายตัวของเซลล์ไข่ในขั้นการพัฒนาของรังไข่ ช่วยให้สามารถจำแนกความสมบูรณ์ของแม่พันธุ์ปลิงทะเลขาว ซึ่งเป็นปัจจัยที่บ่งชี้ถึงความพร้อมในการผสมกับเซลล์สืบพันธุ์ของปลิงเพศผู้ ข้อมูลจากงานวิจัยนี้แสดงถึงความพร้อมของเซลล์ไข่ระยะ Oc4 ที่มีการพัฒนาโครงสร้างภายในเซลล์ได้อย่างสมบูรณ์เต็มที่คล้ายกับเซลล์ไข่ที่ถูกปล่อยออกมาเพื่อทำการผสมภายนอกตัว ดังนั้นจึงมีประโยชน์ต่อเกษตรกรและกลุ่มผู้เพาะเลี้ยงเชิงพาณิชย์ซึ่งสามารถทำการผสมพันธุ์ปลิงแบบ artificial fertilization โดยสามารถนำเซลล์ไข่จากรังไข่ของแม่พันธุ์ปลิงทะเลขาวที่อยู่ในขั้นพัฒนาเต็มที่แล้วมาใช้ผสมได้เลย ซึ่งจะช่วยลดปัญหาจากความไม่แน่นอนของช่วงเวลาที่แม่พันธุ์ปลิงจะปล่อยเซลล์ไข่ออกสู่น้ำทะเลตามธรรมชาติได้

Abstract

The sea cucumber, Holothuria scabra, has economic value for tropical countries in the Indo-Pacific region. Currently, fertilization success in aquaculture is limited due to the unpredictable period of spawning that results in inadequate amounts and quality of the naturally-released eggs that could be harvested. Mature female gametes from the ovary may be an alternative source for artificial fertilization, although its practical outcome remains unverified. Thus, the development and morphological characteristics were investigated of early, developing and mature oocytes of H. scabra during oogenesis. The results of light and transmission electron microscopy indicated that the ovary of H. scabra is composed of multiple tubules joined together at the short gonadal duct. Each ovarian tubule is surrounded by a thick wall comprising collagen fibers and smooth muscles that are lined by the epithelium. The outer epithelium comprises clear and granulated cells which contain numerous vesicles in the cytoplasm having the appearance of hormone-producing cells. The inner wall of the ovarian tubule is lined by flat follicular cells which anchor early-stage oocytes, while subsequent stages of developing oocytes are localized toward and freely released into the lumen. Female germ cells comprise oogonia and developing oocytes. The early pre-vitellogenic oocyte (Oc1) contains partially decondensed chromatin and synaptonemal complexes. The late previtellogenic oocyte (Oc2) exhibits mitochondrial aggregations in cytoplasmic poles. The early vitellogenic oocyte (Oc3) becomes enlarged due to the presences of cytoplasmic granules. The late vitellogenic oocyte (Oc4) has numerous cytoplasmic granules, a thick jelly coating and germinal vesicle breakdown, implicating its complete maturation. Thus, Oc4 may be a potential candidate for artificial fertilization in aquaculture.

KEYWORDS: Holothuria scabra, Oogenesis, Ovary, Sea cucumber, Ultrastructure

Citation: Nittiya Nontunha, Supakant Chaichotranunt, Tanate Poomtong, Yotsawan Tinikul, Prasert Sobhon, and Worawit Suphamungmee. “Oocyte development and maturation in the sea cucumber, Holothuria scabra.” Agriculture and Natural Resources 54, no. 5 (2020): 491-498.
https://li01.tci-thaijo.org/index.php/anres/article/view/248301

RELATED SDGs: 14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ ศุภมั่งมี
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ ศุภมั่งมี
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นิตติญา นนทันหา