Effects of prolonged exposure to manganese chloride on the brain serotonin metabolism and serotonin-regulated behavior in zebrafish

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Manganese ions are toxic for the central nervous system and cause motor impairment. Zebrafish (Danio rerio) are widely used in neuroscience, psychopharmacology and toxicology. The study was aimed to investigate the effect of prolonged exposure to Mn ions on the serotonin (5-HT) system of the brain and the 5-HT controlled behavior in zebrafish. The studies were carried out on males and females of zebrafish line AB, which were divided into four groups: control and which were exposed to 0.1, 0.2 and 0.5 mM MnCl2 for 10 days (the drug was added to the aquarium water). Throughout the exposure, the locomotion of fish were continuously recorded and analyzed using DanioStudio software. On the 11th day of exposure, the behavior of the fish was studied in the novel tank diving test, then the levels of 5-HT, 5-hydroxyindoleacetic acid (5-HIAA), the activity of key enzymes in the synthesis and destruction of 5-HT, tryptophan hydroxylase (TPH) and monoamine oxidase (MAO), respectively, were determined in their brain by HPLC. Prolonged exposure to MnCl2 did not affect body mass, locomotor activity, time in the lower and upper thirds of the home aquarium, as well as locomotor and exploration activities, time in the lower and upper thirds in the novel tank diving test. Moreover, the prolonged exposure to MnCl2 did not affect 5-HT, 5-HIAA levels and MAO activity in fish brain. However, TPH activity was significantly increased in fish kept at 0.2 and 0.5 mM MnCl2. In an additional experiment, Mn ions were shown to increase the thermal stability of the TPH molecule in vitro. This stabilizing (chaperone) activity of Mn ions was demonstrated for the first time. The discovery of the chaperone activity of Mn ions will help to reveal the fundamental molecular principles and mechanisms of action of pharmacological chaperones.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. E. Izyurov

Institute of Cytology and Genetics SD RAS

Email: avkulikov52@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

I. E. Sorokin

Institute of Cytology and Genetics SD RAS

Email: avkulikov52@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

V. S. Evsiukova

Institute of Cytology and Genetics SD RAS

Email: avkulikov52@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

D. А. Zolotova

Institute of Cytology and Genetics SD RAS

Email: avkulikov52@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

P. A. Kulikov

Institute of Cytology and Genetics SD RAS

Email: avkulikov52@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

A. V. Kulikov

Institute of Cytology and Genetics SD RAS

Author for correspondence.
Email: avkulikov52@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Mattison D.R., Momoli F., Alyanak C., Aschner M., Baker M., Cashman N., Dydak U., Farhat N., Guilarte T.R., Karyakina N., Ramoju S., Shilnikova N., Taba P., Krewski D. // Med. Int. (Lond). 2024. V. 4. P. 11.
  2. Pajarillo E., Nyarko-Danquah I., Adinew G., Rizor A., Aschner M., Lee E. // Adv. Neurotoxicol. 2021. V. 5. P. 215‒238.
  3. Bakthavatsalam S., Das Sharma S., Sonawane M., Thirumalai V., Datta A. // Dis. Model. Mech. 2014. V. 7. P. 1239–1251.
  4. Gorell J.M., Johnson C.C., Rybicki B.A., Peterson E.L., Kortsha G.X., Brown G.G., Richardson R.J. // Neurotoxicology. 1999. V. 20. P. 239–247.
  5. Dorman D.C., Brenneman K.A., McElveen A.M., Lynch S.E. // J. Toxicol. Environm. Health. 2002. V. 65. P. 1493‒1511.
  6. Chen P., Chakraborty S., Mukhopadhyay S., Lee E., Paoliello M.M., Bowman A.B., Aschner M. // J. Neurochem. 2015. V. 134. P. 601‒610.
  7. Osanai M., Hikishima K., Onoe H. // Front. Neural. Circuits. 2022. V. 16. P. 918500.
  8. Inoue T., Majid T., Pautler R.G. // Rev. Neurosci. 2011. V. 22. P. 675‒694.
  9. Tanihira H., Fujiwara T., Kikuta S., Homma N., Osanai M. // Front. Neural. Circuits. 2021. V. 15. P. 787692.
  10. Dribben W.H., Eisenman L.N., Mennerick S. // Cell Death Disease. 2010. V. 1. P. 63.
  11. Lucki I. // Biol. Psychiatry. 1998. V. 44. P. 151–162.
  12. Popova N.K. // Bioessays. 2006. V. 28. P. 495–503.
  13. Blanchard D.C., Meyza K. // Behav. Brain. Res. 2019. V. 357-358. P. 9‒17.
  14. Conio B., Martino M., Magioncalda P., Escelsior A., Inglese M., Amore M., Northoff G. // Mol. Psychiatry. 2020. V. 25. P. 82‒93.
  15. Gosmann N.P., Costa M.A., Jaeger M.B., Motta L.S., Frozi J., Spanemberg L., Manfro G.G., Cuijpers P., Pine D.S., Salum G.A. // PLoS Med. 2021. V. 18. P. e1003664.
  16. Tiwari P., Fanibunda S.E., Kapri D., Vasaya S., Pati S., Vaidya V.A. // FEBS J. 2021. V. 288. P. 2602‒2621.
  17. Miller B.R., Hen R. // Curr. Opin. Neurobiol. 2015. V. 30. P. 51–58.
  18. Panula P., Chen Y.C., Priyadarshini M., Kudo H., Semenova S., Sundvik M., Sallinen V. // Neurobiology of disease. 2010. V. 40. P. 46‒57.
  19. Gaspar P., Lillesaar C. // Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2012. V. 367. P. 2382‒2394.
  20. Maximino C., Puty B., Benzecry R., Araújo J., Lima M.G., Batista E.D.J.O., Herculano A.M. // Neuropharmacology. 2013. V. 71. P. 83‒97.
  21. Herculano A.M., Maximino C. // Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2014. V. 55. P. 50‒66.
  22. Kulikov A.V., Sinyakova N.A., Kulikova E.A., Khomenko T.M., Salakhutdinov N.F., Kulikov V.A., Volcho K.P. // Lett. Drug. Des. Discov. 2019. V. 16. P. 1321–1328.
  23. Evsiukova V.S., Bazovkina D., Bazhenova E., Kulikova E.A., Kulikov A.V. // Int. J. Mol. Sciences. 2021. V. 22. P. 12851.
  24. Kulikov A.V., Sinyakova N., Kulikova E., Evglevsky N., Kolotygin I., Volcho K., Salakhutdinov N., Kulikov V., Romaschenko A., Moshkin M. // Eur. Neuropsychopharmacol. 2019, V. 29. P. 198‒199.
  25. Ferreira S.A., Loreto J.S., Dos Santos M.M., Barbosa N.V. // Environ. Toxicol. Pharmacol. 2022. V. 93. P. 103870.
  26. Rodrigues G.Z.P., Staudt L.B.M., Moreira M.G., Dos Santos T.G., de Souza M.S., Lúcio C.J., Panizzon J., Kayser J.M., Simões L.A.R., Ziulkoski A.L., Bonan C.D. // Chemosphere. 2020. V. 244. P. 125550.
  27. Kulikov P.A., Sorokin I.E., Evsiukova V.S., Kulikov A.V. // Bull. Exp. Biol. Med. 2023. V. 175. P. 106‒111.
  28. Evsiukova V.S., Sorokin I.E., Kulikov P.A., Kulikov A.V. // Behav. Brain Res. 2024. V. 466. P. 115000.
  29. Nadig A.P.R., Huwaimel B., Alobaida A., Khafagy E.S., Alotaibi H.F., Moin A., Lila A.S.A., Suma M.S., Krishna K.L. // Biomed. Pharmacother. 2022. V. 155. P. 113697.
  30. Haridevamuthu B., Sudhakaran G., Pachaiappan R., Kathiravan M.K., Manikandan K., Almutairi M.H., Almutairi B.O., Arokiyaraj S., Arockiaraj J. // Br. J. Pharmacol. 2024.
  31. Hernández R.B., Nishita M.I., Espósito B.P., Scholz S., Michalke B. // J. Trace Elem. Med. Biol. 2015. V. 32. P. 209‒217.
  32. Kalueff A.V., Stewart A.M., Gerlai R. // Trends Pharmacol. Sci. 2014. V. 35. P. 63‒75.
  33. Stewart A.M., Braubach O., Spitsbergen J., Gerlai R., Kalueff A.V. // Trends Neurosci. 2014. V. 37. P. 264‒278.
  34. Marins K., Lazzarotto L.M.V., Boschetti G., Bertoncello K.T., Sachett A., Schindler M.S.Z., Chitolina R., Regginato A., Zanatta A.P., Siebel A.M., Magro J.D., Zanatta L. // Environ Sci. Pollut. Res. Int. 2019. V. 26. N. 23. P. 23555‒23570.
  35. Altenhofen S., Wiprich M.T., Nery L.R., Leite C.E., Vianna M.R.M.R., Bonan C.D. // Aquat. Toxicol. 2017. V. 182. P. 172‒183.
  36. Bowman A.B., Kwakye G.F., Herrero Hernández E., Aschner M. // J. Trace Elem. Med. Biol. 2011. V. 25. P. 191‒203.
  37. Meek J.L., Neff N.H. // J. Neurochem. 1972. V. 19. P. 1519‒1525.
  38. Fitzpatrick P.F. // Arch. Biochem. Biophys. 2023. V. 735. P. 109518.
  39. Gregersen N., Bross P., Vang S., Christensen J.H. // Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2006. V. 7. P. 103‒124.
  40. Muntau A.C., Leandro J., Staudigl M., Mayer F., Gersting S.W. // J. Inherit. Metab. Dis. 2014. V. 37. P. 505‒523.
  41. Leandro P., Gomes C.M. // Mini Rev. Med. Chem. 2008. V. 8. P. 901‒911.
  42. Papp E., Csermely P. // In Molecular Chaperones in Health and Disease. Handbook of Experimental Pharmacology (Starke, K., Gaestel, M., eds). Springer. Berlin. Heidelberg. 2006. V. 172. P. 405‒413.
  43. Voronin M.V., Abramova E.V., Verbovaya E.R., Vakhitova Y.V., Seredenin S.B. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. P. 823.
  44. Pey A.L., Ying M., Cremades N., Velazquez-Campoy A., Scherer T., Thöny B., Sancho J., Martinez A. // J. Clin. Invest. 2008. V. 118. P. 2858‒2867.
  45. Calvo A.C., Scherer T., Pey A.L., Ying M., Winge I., McKinney J., Haavik J., Thöny B., Martinez A. // J. Neurochem. 2010. V. 114. P. 853‒863.
  46. Waløen K., Kleppe R., Martinez A., Haavik J. // Expert Opin. Ther. Targets. 2017. V. 21. P. 167‒180.
  47. Arefieva A.B., Komleva P.D., Naumenko V.S., Khotskin N.V., Kulikov A.V. // Biomolecules. 2023. V. 13. P. 1458.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Motor activity, time spent (%) in the upper and lower thirds of the home aquarium in fish maintained for 10 days in water with 0 (control), 0.1, 0.2, 0.5 mM MnCl2. Dots represent the mean values ​​of observations 12 h per day for 10 days for each aquarium. Bars represent the mean values ​​± the error of the mean for each aquarium. The number of aquariums in each group n = 4.

Download (143KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Body weight (g), distance traveled (m), proportion of the surveyed space (%), distance from the bottom (cm), time spent (%) in the upper and lower thirds of the cuvette in fish kept for 10 days in water with 0 (control), 0.1, 0.2, 0.5 mM MnCl2. Dots represent individual values. Lines represent mean values ​​± standard errors for each aquarium. Each of the 4 groups included 20 fish. **p < 0.01 vs control.

Download (290KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. 5-HT level (ng/mg), 5-HIAA level (ng/mg) and 5-HIAA/5-HT ratio in the brain of fish maintained for 10 days in water with 0 (control) (n = 11), 0.1 (n = 9), 0.2 (n = 10), 0.5 (n = 10) mM MnCl2. Dots represent individual values. Bars represent mean values ​​± SEM for each aquarium.

Download (146KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. MAO (pmol/mg/min) and TPG (pmol/mg/min) activities in the brain of fish maintained for 10 days in water with 0 (control) (n = 11), 0.1 (n = 9), 0.2 (n = 10), 0.5 (n = 10) mM MnCl2. Dots represent individual values. Bars represent mean values ​​± SEM for each aquarium. *p < 0.05, ***p < 0.001 vs control.

Download (111KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. T50 values ​​for TPG from D. rerio brain in the absence (control) and presence of 0.05 mM MnCl2. Dots represent individual T50 values. Each group included 6 values. Bars represent mean values ​​± SEM for each aquarium. *p < 0.05 vs control.

Download (50KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».