The Role of Oxidative Stress in Environmental Responses of Fennoscandian Animals

Abstract

All aerobic organisms have to deal with the toxicity of oxygen. Oxygen enables more efficient energy production compared to anaerobic respiration or fermentation, but at the same time reactive oxygen species (ROS) are being formed. ROS can also be produced by external factors such as UV-radiation and contamination. ROS can cause damage to biomolecules such as DNA, lipids and proteins and organisms try to keep the damage as small as possible by repairing biomolecules and metabolizing ROS. All ROS are not harmful, because they are used as signaling molecules. To cope against ROS organism have an antioxidant (AOX) system which consists both enzymatic and non-enzymatic AOX defense. Some AOX are produced by the organism itself and some are gained via diet.

In this thesis I studied environmentally caused changes in the redox regulation of different wild vertebrate animals to gain knowledge on the temporal, spatial and pollution-derived-effects on the AOX systems. As study species I used barn swallow, ringed seal and the Baltic salmon. For the barn swallow the main interest was the seasonal fluctuation in the redox regulation and its connection to migration and breeding. The more contaminated ringed seals of the Baltic Sea were compared to seals from cleaner Svalbard to investigate whether they suffered from contaminant induced oxidative stress. The regional and temporal variation in redox regulation and regional variation in mRNA and protein expressions of Baltic salmon were studied to gain knowledge if the salmon from different areas are equally stressed. As a comparative aspect the redox responses of these different species were investigated to see which parts of the AOX system are substantial in which species.

Certain parts of AOX system were connected to breeding and others to migration in barn swallows, there was also differences in biotransformation between birds caught from Africa and Finland. The Baltic ringed seal did not differ much from the seals from Svalbard, despite the difference in contaminant load. A possible explanation to this could be the enhanced AOX mechanisms against dive-associated oxidative stress in diving air-breathing animals, which also helps to cope with ROS derived from other sourses. The Baltic salmon from Gulf of Finland (GoF) showed higher activities in their AOX defense enzymes and more oxidative damage than fish from other areas. Also on mRNA and proteomic level, stress related metabolic changes were most profound in in the fish from GoF.

Mainly my findings on species related differences followed the pattern of mammals showing highest activities and least damage and birds showing lower activities and most damage, fish being intermediate. In general, the glutathione recycling-related enzymes and the ratio of oxidized and reduced glutathione seemed to be the most affected parameters in all of the species.

Kaikkien happea käyttävien eliöiden pitää tulla toimeen hapen myrkyllisyyden kanssa. Happi mahdollistaa paljon tehokkaamman energiantuotannon kuin hapettomat hengitys- tai käymisreaktiot, mutta samalla prosessissa vapautuu reaktiivisia happiradikaaleja (ROS). ROS:a voi muodostua myös ulkoisten tekijöiden, kuten UV-säteilyn ja saastumisen seurauksena. ROS:t voivat vaurioittaa biomolekyylejä kuten DNA:ta, rasvoja sekä proteiineja ja eliöt pyrkivätkin pitämään vaurioiden määrän niin pienenä kuin mahdollista, korjaamalla biomolekyylejä ja käsittelemällä ROS:ja. Kaikki ROS:t eivät ole vahingollisia, koska osa toimii mm. tiedonvälitysmolekyyleinä. Jotta eliöt pärjäisivät ROS:ja vastaan, on niille kehittynyt antioksidanttipuolustusjärjestelmä (AOX), johon kuuluvat entsymaattiset ja ei-entsymaattiset systeemit. Osan AOX:ta eliö tuottaa itse ja osa saadaan ravinnosta.

Olen tutkinut väitöskirjassani ympäristön aiheuttamia muutoksia villien selkärankaisten hapetus-pelkistys säätelyyn saadakseni tietoa ajallisten, paikallisten ja saasteiden aiheuttamien muutosten vaikutusta AOX puolustukseen. Tutkimuslajeina käytin haarapääskyjä, Itämeren norppia ja Itämeren lohia. Haarapääskytutkimuksessa suurin mielenkiinto kohdistui hapetus-pelkistyssäätelyn vuodenaikaisvaihteluun ja sen yhteyteen lintujen muuttoon ja lisääntymiseen. Itämeren norppia verrattiin puhtaammissa oloissa eläviin Huippuvuorten norppiin, jotta saataisiin tietoa kärsivätkö ne saasteiden aiheuttamasta hapetusstressistä. Itämeren lohella tutkittiin sekä ajallista, että paikallista vaihtelua hapetus-pelkistys säätelyssä ja eroja mRNA- ja proteiinituotannossa, jotta saataisiin selville ovatko eri alueiden lohet yhtä stressaantuneita. Lisäksi näiden kolmen eri lajin hapetus-pelkistys vasteita vertailtiin, jotta tiedettäisiin mitkä osat AOX puolustuksesta ovat tärkeitä milläkin lajilla.

Haarapääskyllä tietyt osat AOX systeemissä liittyivät lisääntymiseen ja toiset muuttoon, lisäksi Afrikasta pyydettyjen lintujen myrkkypuolustuksessa oli eroa Suomesta pyydettyihin lintuihin nähden. Itämeren norpat eivät eronneet paljoakaan Huippuvuorten norpista huolimatta suurista eroista saastepitoisuuksissa. Yksi mahdollinen syy tähän saattaisi olla sukeltavien, mutta ilmaa hengittävien eliöiden AOX puolustusentsyymeiden kohonnut tehokkuus, joka auttaa niitä selvitymään paremmin sukeltamiseen liittyvästä hapetusstressistä, sekä muista syistä johtuvasta liiallisesta ROS tuotannosta. Suomenlahden lohien AOX entsyymien aktiivisuudet olivat kohonneita muiden alueiden lohiin verrattuna. Lisäksi Suomenlahden lohilla havaittiin stressiaineenvaihduntaan liittyviä muutoksia mRNA- ja proteiinitasolla.

Pääasiassa tulokseni eri lajienvälisistä eroista noudatti jo aiemmin havaittua linjaa: nisäkkäillä oli korkeimmat entsyymiaktiivisuudet ja vähiten vaurioita biomolekyyleissa, kun taas linnuilla oli matalimmat aktiivisuudet ja eniten vaurioita. Kalat puolestaan olivat tältä väliltä. Yleisesti ottaen glutationin hapetus-pelkistusreaktioihin liittyvien entsyymien aktiivisuudet, sekä glutationin pelkistyneen ja hapettuneen muodon suhde muuttuivat eniten kaikilla lajeilla.