A deficiência de ferro, quando severa denominada de anemia, é a deficiência nutricional mais comum globalmente, em especial nos países em desenvolvimento. A deficiência de ferro há muito tempo tem sido relacionada à diminuição da atividade do sistema imunológico e da capacidade de trabalho. Mais recentemente, o excesso de ferro tem sido associado ao aumento do risco de doenças crônico-degenerativas e de câncer. Existem evidências inconclusivas de que a carência de ferro poderia elevar o nível de danos no DNA. Mais ainda, com base nesse conceito pode-se pensar na hipótese de que a carência de ferro eleve a suscetibilidade ao câncer, especialmente nos tecidos que sofrem efeitos mais severos da carência de ferro. Portanto, os primeiros objetivos deste trabalho foram: (a) avaliar experimentalmente quais as repercussões da deficiência de ferro na estabilidade genômica em crianças e adolescentes; e (b) revisar a literatura acerca da associação entre a deficiência de ferro e o risco de câncer no trato gastrintestinal. Outro aspecto que não pode ser negligenciado é o fato de que o ferro é extremamente pró-oxidante nos sistemas biológicos, como no caso da anemia falciforme, e que a toxicidade de sua sobrecarga endógena precisa ser avaliada. Com efeito, o segundo objetivo deste trabalho foi avaliar tais efeitos em humanos com anemia falciforme (sobrecarga endógena) e em camundongos suplementados com ferro (sobrecarga exógena). A resposta ao problema global de carência de ferro está centrada no tratamento com doses profiláticas de ferro e a um incremento contínuo da oferta de ferro na dieta (p.ex. programas de suplementação nas farinhas e suplementos nutricionais), o que tem impacto ainda desconhecido sobre a estabilidade genômica. Daí emerge o terceiro objetivo desse estudo: avaliar se a vitamina C, o suco de laranja ou uma dieta rica em antioxidantes poderia diminuir a toxicidade ao DNA gerada pela suplementação com ferro em camundongos. Soma-se a esse objetivo, avaliar se o composto quelante de ferro desferoxamida ou a vitamina C (vitamina chave na biodisponibilização do ferro não heme) administrados na fase adulta podem melhorar os efeitos de perda de memória e dano no DNA induzidos por um tratamento com ferro no período perinatal em ratos, uma vez que o mal de Parkinson e Alzheimer têm progressão lenta e emergência tardia e estão associados ao acúmulo de ferro no cérebro. O quarto objetivo do trabalho foi definir a concentração ideal de ferro para células em cultura, em paralelo a avaliação de marcadores nucleares e mitocondriais de estabilidade genômica e da análise da expressão de genes ferro-dependentes envolvidos no reparo de DNA. Em resumo, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito para a instabilidade genômica da deficiência e do excesso de ferro em modelos murinos e grupos populacionais humanos (crianças com alta vulnerabilidade: deficiência; pacientes de anemia falciforme: excesso), testar estratégias para reduzir a toxicidade do ferro para a memória e para o DNA (pela administração de alimentos, vitaminas e medicamentos), e, finalmente, determinar qual a dose ideal de ferro para manter a estabilidade genômica de células em cultura. Para tal, as metodologias principais empregadas foram: ensaios cometa neutro e alcalino, para avaliação de danos primários ao DNA; teste de micronúcleos em medula óssea de camundongos e em células em cultura citocinese-bloqueadas para determinação de clastogenênese/aneugênese; Particle Induced X-ray Emission (PIXE) para avaliação do nível de ferro nos tecidos; polimerase chain-reaction quantitativo em tempo real (QRTPCR) para avaliação do comprimento de telômeros e do número de cópias do genoma mitocondrial e nível de expressão de genes de reparo de DNA. Adicionalmente, testes de memória foram utilizados em ratos e avaliações do consumo de nutrientes foram empregados nas crianças e adolescentes com carência de ferro. Os resultados da pesquisa apontam um aumento de danos no DNA, tanto em situações de excesso como de deficiência de ferro. Para o caso da deficiência de ferro, observou-se em crianças e adolescentes avaliados um padrão geral de má-alimentação, marcado pela carência de várias vitaminas, especialmente ácido fólico e niacina e incidência de verminoses. A revisão bibliográfica apontou evidências preliminares do aumento do risco de câncer no trato intestinal em função de baixa ingestão de ferro, bem como uma quantidade de ferro ideal para minimizar este risco (20 mg/dia Fe, valor maior do que as recomendações nutricionais atuais para humanos). Os mecanismos associados a esse aumento de risco incluem desequilíbrio nas respostas imunes contra células malignas, no metabolismo de compostos tóxicos, bem como na regulação redox e na biossíntese e reparo do DNA. Quanto às estratégias para reduzir a toxicidade do ferro, os resultados indicam que a vitamina C, comumente associada à suplementação com ferro, pode aumentar a toxicidade de ferro e é inefetiva para reduzir o déficit de memória induzido desse metal. O suco de laranja, uma alternativa saudável à vitamina C no aumento da biodisponibilidade do ferro não heme, parece ser mais adequada para reduzir a toxicidade do composto, da mesma forma que a dieta rica em antioxidantes testada. O quelante de ferro mais empregado globalmente (desferoxamida) foi efetivo em reverter o déficit de memória e os danos induzidos pelo ferro. Quanto à definição da dose ótima de ferro para o cultivo celular, evidenciou-se que a suplementação com ferro a longo-prazo, tanto na forma de sulfato ou como ferro ligado à transferrina pode contribuir no aumento da estabilidade genômica. Esses dados provêm de por metodologias de vanguarda, como comprimento de telômeros e estabilidade mitocondrial acessados por QTRTPCR, e indicam que a concentração ideal de ferro se situa numa faixa bastante estreita (6-20 μM Fe no meio de cultura). A análise da expressão de genes de reparo, executada em paralelo aos experimentos de suplementação com ferro nas células, revelou um novo mecanismo de controle pós-trascricional de genes dos genes WRN e MUTYH, que codificam, respectivamente, para uma DNA helicase e uma DNA glicosilase, ambas contendo ferro. Os resultados ora apresentados visam fornecer subsídios para manter a estabilidade genômica, reduzir o risco de câncer e maximizar a saúde dos indivíduos estudados, sendo aplicáveis globalmente pela da universalidade do cenário de desequilíbrio nutricional de ferro. Os avanços da pesquisa contribuem à incorporação do conceito de estabilidade genômica às recomendações nutricionais, que tradicionalmente sugerem níveis mínimos de nutrientes para diminuir a incidência de doenças associadas à deficiência e não visam deficiências nutricionais sutis e crônicas. Os resultados também contribuem a nutrigenômica: área incipiente de interface entre a genética e a nutrição, que aborda a interação entre os genes e os alimentos e, de uma forma particular, em estudar como os nutrientes afetam o genoma humano. Considerando a possibilidade de efeitos adversos do tratamento de ferro em indivíduos debilitados do ponto de vista bioquímico (p.ex. falta de antioxidantes) e as sugestões de associação entre o aumento da ingestão de ferro e acréscimo na incidência de câncer nos países de primeiro mundo, faz-se necessária uma definição parcimoniosa da melhor estratégia de suplementação/tratamento com ferro, no intuito de evitar instabilidade genômica em indivíduos com alimentação depauperada em nutrientes fundamentais à estabilidade genômica. Os resultados dos estudos in vitro desenvolvidos neste trabalho auxiliam no desenvolvimento de meios de cultura fisiológicos, lançam luzes sobre o problema da definição dos níveis ótimos de ferro para maximização da estabilidade genômica (p.ex. para células-tronco e protocolos de transplante) e evidenciam um novo mecanismo de controle do ferro sobre a expressão de genes de reparo de DNA. / Iron deficiency, named anemia when severe, is the far most common micronutrient deficiency worldwide, particularly among citizens of developing countries. Iron deficiency has been linked for a long time to immune system impairment and reduction in work capacity. Iron excess has been also associated, lately, with increased risk of chronic degenerative diseases and cancer. There are inconclusive evidences iron deficiency could increase the DNA damage level. Based in this concept, one could hypothesize iron deficiency increases cancer susceptibility, especially in tissues that suffer higher effect of iron deprivation. Therefore, the first aims of this research were: (a) to evaluate experimentally the repercussions of iron deficiency over genome stability and cancer risk in gastrointestinal tract; and (b) to review the literature towards the potential association between iron deficiency and gastrointestinal cancer risk increase. Another aspect that deserves attention is the fact of iron been extremely pro-oxidant in biological systems, as in sickle cell disease. Indeed, the second aim of this research was to evaluate such effects in humans with sickle cell disease (endogenous overload) and in mice supplemented with iron (exogenous overload). The answer to the global issue of iron deficiency is centered in treatment with prophylactic or curative iron doses and there is a general increase in dietary iron levels (e.g. flour supplementation programs and nutritional supplements) which has and not fully elucidated impact over genomic stability. Form this issue, emerges the third aim of this research: to evaluate if vitamin C, orange juice or a diet rich in antioxidants could reduce iron genotoxicity associated to iron supplementation. Summed to this objective, is the evaluation if the iron chelator desferoxamide and vitamin C (vitamin has a key role in iron bioavailability) administered in adulthood could ameliorate the memory impairment and DNA damage increase induced by iron treatment during neonatal period; particularly given the fact Parkinson and Alzheimer diseases have slow progression and are associated to selective accumulation of iron in brain. The fourth objective of the research was to define the ideal concentration of iron to cell cultures, in parallel to the evaluation of nuclear and mitochondrial markers of genomic stability as well as of the analyses of expression of iron-dependent genes involved in DNA synthesis and repair. All objectives can be summarized, as to evaluate the effect over genomic stability of iron deficiency and overload in murine models and human populations (children and adolescents with low socioeconomic background: deficiency and sickle cell disease: overload), to test strategies to reduced iron toxicity to memory and DNA (through the administration of foods, vitamins and medicines, and, finally, to determine the ideal dose for genome maintenance in cell cultures. The main methods used were: neutral and alkaline comet assay, to evaluate primary DNA damages; micronucleus test in mice bone marrow and cytokinesis-block cell cultures, to determine clastogenenicity/aneugenicity; Particle Induces X-ray Emission (PIXE), to determine iron level in tissues; and quantitative polymerase chain-reaction (QRTPCR) to evaluate telomere length, mtDNA copy numbers and mRNA level of DNA repair genes. Additionally, memory tests and nutrient consumption evaluations were used. Results suggested an increase in DNA damage either for iron deficiency or overload. Regarding iron deficiency, children and adolescents with low socioeconomic status evaluated had a poor nutritional profile, marked by nutritional deficiency, particularly of folic acid and a high prevalence of parasitosis. In the review article regarding the association between iron deficiency and cancer risk increase, the review of a few experimental studies in murine animals and some epidemiological studies in humans indicated preliminary evidences towards an association between iron deficiency and increased cancer risk. Moreover, the mechanism by which iron deficiency could induce early onset and progression of tumors in gastrointestinal tract was discussed, including: impairment of iron-dependent metabolic functions (e.g. depressed immune defenses against malignant cells, reduced metabolization of toxic compounds, and unbalance in antioxidant defenses and DNA biosynthesis and repair). Regarding the strategies to reduce iron supplementation-associated toxicity, results suggest vitamin C was ineffective to reduce iron genotoxicity, could increase iron toxicity and was not able to repair ironinduced memory impairment. On the other hand, orange juice, a healthy alternative to vitamin C, could reduce iron toxicity, similarly to the also tested diet rich in antioxidants. Desferoxamide, the most used iron chelator worldwide, was effective to reverse iron induced memory deficit and DNA damages induced by iron; however, its clinical usage is difficult. Regarding the definition of the optimal dose for genomic stability for cells in culture, we observed an increase in cell proliferation and genomic stability (comet assay, telomere length and micronucleus) either for iron sulfate or holotransferrin, however in a very narrow range. The analyses of expression of iron-related genes showed a new posttranscriptional regulation mechanism for iron-containing DNA helicase WRN and DNA glycosylase MUTYH. The results herein presented aim to provide subsides to maintain genomic stability, reduce cancer risk and to maximize the health, being widely applicable in face to the universality of iron deficiency. The research advances can contribute to the incorporation of the concept of genomic stability to nutritional recommendations; which traditionally are based in minimal levels of nutrients to diminish the incidence of diseases (e.g. anemia for iron) and are not focused in subtle nutrient deficiencies that can have chronic effects. Results also contribute to nutrigenomics: incipient area of interface between nutrition and genetics, which aims to evaluate how nutrients influence human genome. Considering the potential noxious outcomes of iron treatment in nutrient deprived individuals (i.e. with low antioxidant defenses or shortage of B vitamins), and the increase of dietary iron content, there is an urgency for the definition of the best supplementation strategy to prevent genomic stability. In vitro studies to define the adequate iron concentration can be useful for the definition of the optimal levels of iron to maximize genomic stability that could also be applied in improving cell culture protocols, for example to ex vivo culture of bone marrow previous to grafting after radiotherapy. In vivo studies also shed light upon a new mechanism for iron-dependent DNA repair regulation.

A deficiência de ferro, quando severa denominada de anemia, é a deficiência nutricional mais comum globalmente, em especial nos países em desenvolvimento. A deficiência de ferro há muito tempo tem sido relacionada à diminuição da atividade do sistema imunológico e da capacidade de trabalho. Mais recentemente, o excesso de ferro tem sido associado ao aumento do risco de doenças crônico-degenerativas e de câncer. Existem evidências inconclusivas de que a carência de ferro poderia elevar o nível de danos no DNA. Mais ainda, com base nesse conceito pode-se pensar na hipótese de que a carência de ferro eleve a suscetibilidade ao câncer, especialmente nos tecidos que sofrem efeitos mais severos da carência de ferro. Portanto, os primeiros objetivos deste trabalho foram: (a) avaliar experimentalmente quais as repercussões da deficiência de ferro na estabilidade genômica em crianças e adolescentes; e (b) revisar a literatura acerca da associação entre a deficiência de ferro e o risco de câncer no trato gastrintestinal. Outro aspecto que não pode ser negligenciado é o fato de que o ferro é extremamente pró-oxidante nos sistemas biológicos, como no caso da anemia falciforme, e que a toxicidade de sua sobrecarga endógena precisa ser avaliada. Com efeito, o segundo objetivo deste trabalho foi avaliar tais efeitos em humanos com anemia falciforme (sobrecarga endógena) e em camundongos suplementados com ferro (sobrecarga exógena). A resposta ao problema global de carência de ferro está centrada no tratamento com doses profiláticas de ferro e a um incremento contínuo da oferta de ferro na dieta (p.ex. programas de suplementação nas farinhas e suplementos nutricionais), o que tem impacto ainda desconhecido sobre a estabilidade genômica. Daí emerge o terceiro objetivo desse estudo: avaliar se a vitamina C, o suco de laranja ou uma dieta rica em antioxidantes poderia diminuir a toxicidade ao DNA gerada pela suplementação com ferro em camundongos. Soma-se a esse objetivo, avaliar se o composto quelante de ferro desferoxamida ou a vitamina C (vitamina chave na biodisponibilização do ferro não heme) administrados na fase adulta podem melhorar os efeitos de perda de memória e dano no DNA induzidos por um tratamento com ferro no período perinatal em ratos, uma vez que o mal de Parkinson e Alzheimer têm progressão lenta e emergência tardia e estão associados ao acúmulo de ferro no cérebro. O quarto objetivo do trabalho foi definir a concentração ideal de ferro para células em cultura, em paralelo a avaliação de marcadores nucleares e mitocondriais de estabilidade genômica e da análise da expressão de genes ferro-dependentes envolvidos no reparo de DNA. Em resumo, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito para a instabilidade genômica da deficiência e do excesso de ferro em modelos murinos e grupos populacionais humanos (crianças com alta vulnerabilidade: deficiência; pacientes de anemia falciforme: excesso), testar estratégias para reduzir a toxicidade do ferro para a memória e para o DNA (pela administração de alimentos, vitaminas e medicamentos), e, finalmente, determinar qual a dose ideal de ferro para manter a estabilidade genômica de células em cultura. Para tal, as metodologias principais empregadas foram: ensaios cometa neutro e alcalino, para avaliação de danos primários ao DNA; teste de micronúcleos em medula óssea de camundongos e em células em cultura citocinese-bloqueadas para determinação de clastogenênese/aneugênese; Particle Induced X-ray Emission (PIXE) para avaliação do nível de ferro nos tecidos; polimerase chain-reaction quantitativo em tempo real (QRTPCR) para avaliação do comprimento de telômeros e do número de cópias do genoma mitocondrial e nível de expressão de genes de reparo de DNA. Adicionalmente, testes de memória foram utilizados em ratos e avaliações do consumo de nutrientes foram empregados nas crianças e adolescentes com carência de ferro. Os resultados da pesquisa apontam um aumento de danos no DNA, tanto em situações de excesso como de deficiência de ferro. Para o caso da deficiência de ferro, observou-se em crianças e adolescentes avaliados um padrão geral de má-alimentação, marcado pela carência de várias vitaminas, especialmente ácido fólico e niacina e incidência de verminoses. A revisão bibliográfica apontou evidências preliminares do aumento do risco de câncer no trato intestinal em função de baixa ingestão de ferro, bem como uma quantidade de ferro ideal para minimizar este risco (20 mg/dia Fe, valor maior do que as recomendações nutricionais atuais para humanos). Os mecanismos associados a esse aumento de risco incluem desequilíbrio nas respostas imunes contra células malignas, no metabolismo de compostos tóxicos, bem como na regulação redox e na biossíntese e reparo do DNA. Quanto às estratégias para reduzir a toxicidade do ferro, os resultados indicam que a vitamina C, comumente associada à suplementação com ferro, pode aumentar a toxicidade de ferro e é inefetiva para reduzir o déficit de memória induzido desse metal. O suco de laranja, uma alternativa saudável à vitamina C no aumento da biodisponibilidade do ferro não heme, parece ser mais adequada para reduzir a toxicidade do composto, da mesma forma que a dieta rica em antioxidantes testada. O quelante de ferro mais empregado globalmente (desferoxamida) foi efetivo em reverter o déficit de memória e os danos induzidos pelo ferro. Quanto à definição da dose ótima de ferro para o cultivo celular, evidenciou-se que a suplementação com ferro a longo-prazo, tanto na forma de sulfato ou como ferro ligado à transferrina pode contribuir no aumento da estabilidade genômica. Esses dados provêm de por metodologias de vanguarda, como comprimento de telômeros e estabilidade mitocondrial acessados por QTRTPCR, e indicam que a concentração ideal de ferro se situa numa faixa bastante estreita (6-20 μM Fe no meio de cultura). A análise da expressão de genes de reparo, executada em paralelo aos experimentos de suplementação com ferro nas células, revelou um novo mecanismo de controle pós-trascricional de genes dos genes WRN e MUTYH, que codificam, respectivamente, para uma DNA helicase e uma DNA glicosilase, ambas contendo ferro. Os resultados ora apresentados visam fornecer subsídios para manter a estabilidade genômica, reduzir o risco de câncer e maximizar a saúde dos indivíduos estudados, sendo aplicáveis globalmente pela da universalidade do cenário de desequilíbrio nutricional de ferro. Os avanços da pesquisa contribuem à incorporação do conceito de estabilidade genômica às recomendações nutricionais, que tradicionalmente sugerem níveis mínimos de nutrientes para diminuir a incidência de doenças associadas à deficiência e não visam deficiências nutricionais sutis e crônicas. Os resultados também contribuem a nutrigenômica: área incipiente de interface entre a genética e a nutrição, que aborda a interação entre os genes e os alimentos e, de uma forma particular, em estudar como os nutrientes afetam o genoma humano. Considerando a possibilidade de efeitos adversos do tratamento de ferro em indivíduos debilitados do ponto de vista bioquímico (p.ex. falta de antioxidantes) e as sugestões de associação entre o aumento da ingestão de ferro e acréscimo na incidência de câncer nos países de primeiro mundo, faz-se necessária uma definição parcimoniosa da melhor estratégia de suplementação/tratamento com ferro, no intuito de evitar instabilidade genômica em indivíduos com alimentação depauperada em nutrientes fundamentais à estabilidade genômica. Os resultados dos estudos in vitro desenvolvidos neste trabalho auxiliam no desenvolvimento de meios de cultura fisiológicos, lançam luzes sobre o problema da definição dos níveis ótimos de ferro para maximização da estabilidade genômica (p.ex. para células-tronco e protocolos de transplante) e evidenciam um novo mecanismo de controle do ferro sobre a expressão de genes de reparo de DNA. / Iron deficiency, named anemia when severe, is the far most common micronutrient deficiency worldwide, particularly among citizens of developing countries. Iron deficiency has been linked for a long time to immune system impairment and reduction in work capacity. Iron excess has been also associated, lately, with increased risk of chronic degenerative diseases and cancer. There are inconclusive evidences iron deficiency could increase the DNA damage level. Based in this concept, one could hypothesize iron deficiency increases cancer susceptibility, especially in tissues that suffer higher effect of iron deprivation. Therefore, the first aims of this research were: (a) to evaluate experimentally the repercussions of iron deficiency over genome stability and cancer risk in gastrointestinal tract; and (b) to review the literature towards the potential association between iron deficiency and gastrointestinal cancer risk increase. Another aspect that deserves attention is the fact of iron been extremely pro-oxidant in biological systems, as in sickle cell disease. Indeed, the second aim of this research was to evaluate such effects in humans with sickle cell disease (endogenous overload) and in mice supplemented with iron (exogenous overload). The answer to the global issue of iron deficiency is centered in treatment with prophylactic or curative iron doses and there is a general increase in dietary iron levels (e.g. flour supplementation programs and nutritional supplements) which has and not fully elucidated impact over genomic stability. Form this issue, emerges the third aim of this research: to evaluate if vitamin C, orange juice or a diet rich in antioxidants could reduce iron genotoxicity associated to iron supplementation. Summed to this objective, is the evaluation if the iron chelator desferoxamide and vitamin C (vitamin has a key role in iron bioavailability) administered in adulthood could ameliorate the memory impairment and DNA damage increase induced by iron treatment during neonatal period; particularly given the fact Parkinson and Alzheimer diseases have slow progression and are associated to selective accumulation of iron in brain. The fourth objective of the research was to define the ideal concentration of iron to cell cultures, in parallel to the evaluation of nuclear and mitochondrial markers of genomic stability as well as of the analyses of expression of iron-dependent genes involved in DNA synthesis and repair. All objectives can be summarized, as to evaluate the effect over genomic stability of iron deficiency and overload in murine models and human populations (children and adolescents with low socioeconomic background: deficiency and sickle cell disease: overload), to test strategies to reduced iron toxicity to memory and DNA (through the administration of foods, vitamins and medicines, and, finally, to determine the ideal dose for genome maintenance in cell cultures. The main methods used were: neutral and alkaline comet assay, to evaluate primary DNA damages; micronucleus test in mice bone marrow and cytokinesis-block cell cultures, to determine clastogenenicity/aneugenicity; Particle Induces X-ray Emission (PIXE), to determine iron level in tissues; and quantitative polymerase chain-reaction (QRTPCR) to evaluate telomere length, mtDNA copy numbers and mRNA level of DNA repair genes. Additionally, memory tests and nutrient consumption evaluations were used. Results suggested an increase in DNA damage either for iron deficiency or overload. Regarding iron deficiency, children and adolescents with low socioeconomic status evaluated had a poor nutritional profile, marked by nutritional deficiency, particularly of folic acid and a high prevalence of parasitosis. In the review article regarding the association between iron deficiency and cancer risk increase, the review of a few experimental studies in murine animals and some epidemiological studies in humans indicated preliminary evidences towards an association between iron deficiency and increased cancer risk. Moreover, the mechanism by which iron deficiency could induce early onset and progression of tumors in gastrointestinal tract was discussed, including: impairment of iron-dependent metabolic functions (e.g. depressed immune defenses against malignant cells, reduced metabolization of toxic compounds, and unbalance in antioxidant defenses and DNA biosynthesis and repair). Regarding the strategies to reduce iron supplementation-associated toxicity, results suggest vitamin C was ineffective to reduce iron genotoxicity, could increase iron toxicity and was not able to repair ironinduced memory impairment. On the other hand, orange juice, a healthy alternative to vitamin C, could reduce iron toxicity, similarly to the also tested diet rich in antioxidants. Desferoxamide, the most used iron chelator worldwide, was effective to reverse iron induced memory deficit and DNA damages induced by iron; however, its clinical usage is difficult. Regarding the definition of the optimal dose for genomic stability for cells in culture, we observed an increase in cell proliferation and genomic stability (comet assay, telomere length and micronucleus) either for iron sulfate or holotransferrin, however in a very narrow range. The analyses of expression of iron-related genes showed a new posttranscriptional regulation mechanism for iron-containing DNA helicase WRN and DNA glycosylase MUTYH. The results herein presented aim to provide subsides to maintain genomic stability, reduce cancer risk and to maximize the health, being widely applicable in face to the universality of iron deficiency. The research advances can contribute to the incorporation of the concept of genomic stability to nutritional recommendations; which traditionally are based in minimal levels of nutrients to diminish the incidence of diseases (e.g. anemia for iron) and are not focused in subtle nutrient deficiencies that can have chronic effects. Results also contribute to nutrigenomics: incipient area of interface between nutrition and genetics, which aims to evaluate how nutrients influence human genome. Considering the potential noxious outcomes of iron treatment in nutrient deprived individuals (i.e. with low antioxidant defenses or shortage of B vitamins), and the increase of dietary iron content, there is an urgency for the definition of the best supplementation strategy to prevent genomic stability. In vitro studies to define the adequate iron concentration can be useful for the definition of the optimal levels of iron to maximize genomic stability that could also be applied in improving cell culture protocols, for example to ex vivo culture of bone marrow previous to grafting after radiotherapy. In vivo studies also shed light upon a new mechanism for iron-dependent DNA repair regulation.

A deficiência de ferro, quando severa denominada de anemia, é a deficiência nutricional mais comum globalmente, em especial nos países em desenvolvimento. A deficiência de ferro há muito tempo tem sido relacionada à diminuição da atividade do sistema imunológico e da capacidade de trabalho. Mais recentemente, o excesso de ferro tem sido associado ao aumento do risco de doenças crônico-degenerativas e de câncer. Existem evidências inconclusivas de que a carência de ferro poderia elevar o nível de danos no DNA. Mais ainda, com base nesse conceito pode-se pensar na hipótese de que a carência de ferro eleve a suscetibilidade ao câncer, especialmente nos tecidos que sofrem efeitos mais severos da carência de ferro. Portanto, os primeiros objetivos deste trabalho foram: (a) avaliar experimentalmente quais as repercussões da deficiência de ferro na estabilidade genômica em crianças e adolescentes; e (b) revisar a literatura acerca da associação entre a deficiência de ferro e o risco de câncer no trato gastrintestinal. Outro aspecto que não pode ser negligenciado é o fato de que o ferro é extremamente pró-oxidante nos sistemas biológicos, como no caso da anemia falciforme, e que a toxicidade de sua sobrecarga endógena precisa ser avaliada. Com efeito, o segundo objetivo deste trabalho foi avaliar tais efeitos em humanos com anemia falciforme (sobrecarga endógena) e em camundongos suplementados com ferro (sobrecarga exógena). A resposta ao problema global de carência de ferro está centrada no tratamento com doses profiláticas de ferro e a um incremento contínuo da oferta de ferro na dieta (p.ex. programas de suplementação nas farinhas e suplementos nutricionais), o que tem impacto ainda desconhecido sobre a estabilidade genômica. Daí emerge o terceiro objetivo desse estudo: avaliar se a vitamina C, o suco de laranja ou uma dieta rica em antioxidantes poderia diminuir a toxicidade ao DNA gerada pela suplementação com ferro em camundongos. Soma-se a esse objetivo, avaliar se o composto quelante de ferro desferoxamida ou a vitamina C (vitamina chave na biodisponibilização do ferro não heme) administrados na fase adulta podem melhorar os efeitos de perda de memória e dano no DNA induzidos por um tratamento com ferro no período perinatal em ratos, uma vez que o mal de Parkinson e Alzheimer têm progressão lenta e emergência tardia e estão associados ao acúmulo de ferro no cérebro. O quarto objetivo do trabalho foi definir a concentração ideal de ferro para células em cultura, em paralelo a avaliação de marcadores nucleares e mitocondriais de estabilidade genômica e da análise da expressão de genes ferro-dependentes envolvidos no reparo de DNA. Em resumo, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito para a instabilidade genômica da deficiência e do excesso de ferro em modelos murinos e grupos populacionais humanos (crianças com alta vulnerabilidade: deficiência; pacientes de anemia falciforme: excesso), testar estratégias para reduzir a toxicidade do ferro para a memória e para o DNA (pela administração de alimentos, vitaminas e medicamentos), e, finalmente, determinar qual a dose ideal de ferro para manter a estabilidade genômica de células em cultura. Para tal, as metodologias principais empregadas foram: ensaios cometa neutro e alcalino, para avaliação de danos primários ao DNA; teste de micronúcleos em medula óssea de camundongos e em células em cultura citocinese-bloqueadas para determinação de clastogenênese/aneugênese; Particle Induced X-ray Emission (PIXE) para avaliação do nível de ferro nos tecidos; polimerase chain-reaction quantitativo em tempo real (QRTPCR) para avaliação do comprimento de telômeros e do número de cópias do genoma mitocondrial e nível de expressão de genes de reparo de DNA. Adicionalmente, testes de memória foram utilizados em ratos e avaliações do consumo de nutrientes foram empregados nas crianças e adolescentes com carência de ferro. Os resultados da pesquisa apontam um aumento de danos no DNA, tanto em situações de excesso como de deficiência de ferro. Para o caso da deficiência de ferro, observou-se em crianças e adolescentes avaliados um padrão geral de má-alimentação, marcado pela carência de várias vitaminas, especialmente ácido fólico e niacina e incidência de verminoses. A revisão bibliográfica apontou evidências preliminares do aumento do risco de câncer no trato intestinal em função de baixa ingestão de ferro, bem como uma quantidade de ferro ideal para minimizar este risco (20 mg/dia Fe, valor maior do que as recomendações nutricionais atuais para humanos). Os mecanismos associados a esse aumento de risco incluem desequilíbrio nas respostas imunes contra células malignas, no metabolismo de compostos tóxicos, bem como na regulação redox e na biossíntese e reparo do DNA. Quanto às estratégias para reduzir a toxicidade do ferro, os resultados indicam que a vitamina C, comumente associada à suplementação com ferro, pode aumentar a toxicidade de ferro e é inefetiva para reduzir o déficit de memória induzido desse metal. O suco de laranja, uma alternativa saudável à vitamina C no aumento da biodisponibilidade do ferro não heme, parece ser mais adequada para reduzir a toxicidade do composto, da mesma forma que a dieta rica em antioxidantes testada. O quelante de ferro mais empregado globalmente (desferoxamida) foi efetivo em reverter o déficit de memória e os danos induzidos pelo ferro. Quanto à definição da dose ótima de ferro para o cultivo celular, evidenciou-se que a suplementação com ferro a longo-prazo, tanto na forma de sulfato ou como ferro ligado à transferrina pode contribuir no aumento da estabilidade genômica. Esses dados provêm de por metodologias de vanguarda, como comprimento de telômeros e estabilidade mitocondrial acessados por QTRTPCR, e indicam que a concentração ideal de ferro se situa numa faixa bastante estreita (6-20 μM Fe no meio de cultura). A análise da expressão de genes de reparo, executada em paralelo aos experimentos de suplementação com ferro nas células, revelou um novo mecanismo de controle pós-trascricional de genes dos genes WRN e MUTYH, que codificam, respectivamente, para uma DNA helicase e uma DNA glicosilase, ambas contendo ferro. Os resultados ora apresentados visam fornecer subsídios para manter a estabilidade genômica, reduzir o risco de câncer e maximizar a saúde dos indivíduos estudados, sendo aplicáveis globalmente pela da universalidade do cenário de desequilíbrio nutricional de ferro. Os avanços da pesquisa contribuem à incorporação do conceito de estabilidade genômica às recomendações nutricionais, que tradicionalmente sugerem níveis mínimos de nutrientes para diminuir a incidência de doenças associadas à deficiência e não visam deficiências nutricionais sutis e crônicas. Os resultados também contribuem a nutrigenômica: área incipiente de interface entre a genética e a nutrição, que aborda a interação entre os genes e os alimentos e, de uma forma particular, em estudar como os nutrientes afetam o genoma humano. Considerando a possibilidade de efeitos adversos do tratamento de ferro em indivíduos debilitados do ponto de vista bioquímico (p.ex. falta de antioxidantes) e as sugestões de associação entre o aumento da ingestão de ferro e acréscimo na incidência de câncer nos países de primeiro mundo, faz-se necessária uma definição parcimoniosa da melhor estratégia de suplementação/tratamento com ferro, no intuito de evitar instabilidade genômica em indivíduos com alimentação depauperada em nutrientes fundamentais à estabilidade genômica. Os resultados dos estudos in vitro desenvolvidos neste trabalho auxiliam no desenvolvimento de meios de cultura fisiológicos, lançam luzes sobre o problema da definição dos níveis ótimos de ferro para maximização da estabilidade genômica (p.ex. para células-tronco e protocolos de transplante) e evidenciam um novo mecanismo de controle do ferro sobre a expressão de genes de reparo de DNA. / Iron deficiency, named anemia when severe, is the far most common micronutrient deficiency worldwide, particularly among citizens of developing countries. Iron deficiency has been linked for a long time to immune system impairment and reduction in work capacity. Iron excess has been also associated, lately, with increased risk of chronic degenerative diseases and cancer. There are inconclusive evidences iron deficiency could increase the DNA damage level. Based in this concept, one could hypothesize iron deficiency increases cancer susceptibility, especially in tissues that suffer higher effect of iron deprivation. Therefore, the first aims of this research were: (a) to evaluate experimentally the repercussions of iron deficiency over genome stability and cancer risk in gastrointestinal tract; and (b) to review the literature towards the potential association between iron deficiency and gastrointestinal cancer risk increase. Another aspect that deserves attention is the fact of iron been extremely pro-oxidant in biological systems, as in sickle cell disease. Indeed, the second aim of this research was to evaluate such effects in humans with sickle cell disease (endogenous overload) and in mice supplemented with iron (exogenous overload). The answer to the global issue of iron deficiency is centered in treatment with prophylactic or curative iron doses and there is a general increase in dietary iron levels (e.g. flour supplementation programs and nutritional supplements) which has and not fully elucidated impact over genomic stability. Form this issue, emerges the third aim of this research: to evaluate if vitamin C, orange juice or a diet rich in antioxidants could reduce iron genotoxicity associated to iron supplementation. Summed to this objective, is the evaluation if the iron chelator desferoxamide and vitamin C (vitamin has a key role in iron bioavailability) administered in adulthood could ameliorate the memory impairment and DNA damage increase induced by iron treatment during neonatal period; particularly given the fact Parkinson and Alzheimer diseases have slow progression and are associated to selective accumulation of iron in brain. The fourth objective of the research was to define the ideal concentration of iron to cell cultures, in parallel to the evaluation of nuclear and mitochondrial markers of genomic stability as well as of the analyses of expression of iron-dependent genes involved in DNA synthesis and repair. All objectives can be summarized, as to evaluate the effect over genomic stability of iron deficiency and overload in murine models and human populations (children and adolescents with low socioeconomic background: deficiency and sickle cell disease: overload), to test strategies to reduced iron toxicity to memory and DNA (through the administration of foods, vitamins and medicines, and, finally, to determine the ideal dose for genome maintenance in cell cultures. The main methods used were: neutral and alkaline comet assay, to evaluate primary DNA damages; micronucleus test in mice bone marrow and cytokinesis-block cell cultures, to determine clastogenenicity/aneugenicity; Particle Induces X-ray Emission (PIXE), to determine iron level in tissues; and quantitative polymerase chain-reaction (QRTPCR) to evaluate telomere length, mtDNA copy numbers and mRNA level of DNA repair genes. Additionally, memory tests and nutrient consumption evaluations were used. Results suggested an increase in DNA damage either for iron deficiency or overload. Regarding iron deficiency, children and adolescents with low socioeconomic status evaluated had a poor nutritional profile, marked by nutritional deficiency, particularly of folic acid and a high prevalence of parasitosis. In the review article regarding the association between iron deficiency and cancer risk increase, the review of a few experimental studies in murine animals and some epidemiological studies in humans indicated preliminary evidences towards an association between iron deficiency and increased cancer risk. Moreover, the mechanism by which iron deficiency could induce early onset and progression of tumors in gastrointestinal tract was discussed, including: impairment of iron-dependent metabolic functions (e.g. depressed immune defenses against malignant cells, reduced metabolization of toxic compounds, and unbalance in antioxidant defenses and DNA biosynthesis and repair). Regarding the strategies to reduce iron supplementation-associated toxicity, results suggest vitamin C was ineffective to reduce iron genotoxicity, could increase iron toxicity and was not able to repair ironinduced memory impairment. On the other hand, orange juice, a healthy alternative to vitamin C, could reduce iron toxicity, similarly to the also tested diet rich in antioxidants. Desferoxamide, the most used iron chelator worldwide, was effective to reverse iron induced memory deficit and DNA damages induced by iron; however, its clinical usage is difficult. Regarding the definition of the optimal dose for genomic stability for cells in culture, we observed an increase in cell proliferation and genomic stability (comet assay, telomere length and micronucleus) either for iron sulfate or holotransferrin, however in a very narrow range. The analyses of expression of iron-related genes showed a new posttranscriptional regulation mechanism for iron-containing DNA helicase WRN and DNA glycosylase MUTYH. The results herein presented aim to provide subsides to maintain genomic stability, reduce cancer risk and to maximize the health, being widely applicable in face to the universality of iron deficiency. The research advances can contribute to the incorporation of the concept of genomic stability to nutritional recommendations; which traditionally are based in minimal levels of nutrients to diminish the incidence of diseases (e.g. anemia for iron) and are not focused in subtle nutrient deficiencies that can have chronic effects. Results also contribute to nutrigenomics: incipient area of interface between nutrition and genetics, which aims to evaluate how nutrients influence human genome. Considering the potential noxious outcomes of iron treatment in nutrient deprived individuals (i.e. with low antioxidant defenses or shortage of B vitamins), and the increase of dietary iron content, there is an urgency for the definition of the best supplementation strategy to prevent genomic stability. In vitro studies to define the adequate iron concentration can be useful for the definition of the optimal levels of iron to maximize genomic stability that could also be applied in improving cell culture protocols, for example to ex vivo culture of bone marrow previous to grafting after radiotherapy. In vivo studies also shed light upon a new mechanism for iron-dependent DNA repair regulation.

O ferro é elemento essencial para quase todos os organismos, participando de reações importantes no metabolismo das plantas, incluindo a fotossíntese. A homeostase desse metal não é completamente entendida em organismos vegetais, sendo que tanto o excesso quanto a deficiência são deletérios. O arroz (Oryza sativa L. ssp. indica) é normalmente cultivado em terrenos irrigados, o que pode levar ao excesso de ferro. Neste trabalho, nós utilizamos a técnica de Análise Diferencial de Representações (RDA) para isolar seqüências cuja expressão é aumentada ou diminuída pelo excesso de ferro. Foram isoladas 24 seqüências aumentadas e 15 inibidas. Onze seqüências tiveram seu padrão de expressão confirmado como sendo ativadas pelo excesso de ferro, de 14 testadas. Nenhuma seqüência teve seu padrão confirmado como sendo inibido pelo excesso de ferro. Dentre as seqüências confirmadas como diferencialmente expressas, foram encontrados genes relacionados à fotossíntese, resposta a estresse, degradação de proteínas, metabolismo de açúcares e aminoácidos e fatores de transcrição. Vários desses genes estão associados a senescência em outros trabalhos, indicando que a planta sob excesso de ferro pode estar entrando na rota que leva à senescência. Também foi encontrado um fator de transcrição da família WRKY cuja expressão é mais acentuada no 3º dia de tratamento, com diminuição gradual até o 9º dia. Esse dado pode indicar que essa proteína pode estar envolvida na resposta inicial ao estresse, sendo um candidato a regulador da resposta.

O ferro é elemento essencial para quase todos os organismos, participando de reações importantes no metabolismo das plantas, incluindo a fotossíntese. A homeostase desse metal não é completamente entendida em organismos vegetais, sendo que tanto o excesso quanto a deficiência são deletérios. O arroz (Oryza sativa L. ssp. indica) é normalmente cultivado em terrenos irrigados, o que pode levar ao excesso de ferro. Neste trabalho, nós utilizamos a técnica de Análise Diferencial de Representações (RDA) para isolar seqüências cuja expressão é aumentada ou diminuída pelo excesso de ferro. Foram isoladas 24 seqüências aumentadas e 15 inibidas. Onze seqüências tiveram seu padrão de expressão confirmado como sendo ativadas pelo excesso de ferro, de 14 testadas. Nenhuma seqüência teve seu padrão confirmado como sendo inibido pelo excesso de ferro. Dentre as seqüências confirmadas como diferencialmente expressas, foram encontrados genes relacionados à fotossíntese, resposta a estresse, degradação de proteínas, metabolismo de açúcares e aminoácidos e fatores de transcrição. Vários desses genes estão associados a senescência em outros trabalhos, indicando que a planta sob excesso de ferro pode estar entrando na rota que leva à senescência. Também foi encontrado um fator de transcrição da família WRKY cuja expressão é mais acentuada no 3º dia de tratamento, com diminuição gradual até o 9º dia. Esse dado pode indicar que essa proteína pode estar envolvida na resposta inicial ao estresse, sendo um candidato a regulador da resposta.

O ferro é elemento essencial para quase todos os organismos, participando de reações importantes no metabolismo das plantas, incluindo a fotossíntese. A homeostase desse metal não é completamente entendida em organismos vegetais, sendo que tanto o excesso quanto a deficiência são deletérios. O arroz (Oryza sativa L. ssp. indica) é normalmente cultivado em terrenos irrigados, o que pode levar ao excesso de ferro. Neste trabalho, nós utilizamos a técnica de Análise Diferencial de Representações (RDA) para isolar seqüências cuja expressão é aumentada ou diminuída pelo excesso de ferro. Foram isoladas 24 seqüências aumentadas e 15 inibidas. Onze seqüências tiveram seu padrão de expressão confirmado como sendo ativadas pelo excesso de ferro, de 14 testadas. Nenhuma seqüência teve seu padrão confirmado como sendo inibido pelo excesso de ferro. Dentre as seqüências confirmadas como diferencialmente expressas, foram encontrados genes relacionados à fotossíntese, resposta a estresse, degradação de proteínas, metabolismo de açúcares e aminoácidos e fatores de transcrição. Vários desses genes estão associados a senescência em outros trabalhos, indicando que a planta sob excesso de ferro pode estar entrando na rota que leva à senescência. Também foi encontrado um fator de transcrição da família WRKY cuja expressão é mais acentuada no 3º dia de tratamento, com diminuição gradual até o 9º dia. Esse dado pode indicar que essa proteína pode estar envolvida na resposta inicial ao estresse, sendo um candidato a regulador da resposta.

O ferro é um elemento essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, envolvido em processos metabólicos essenciais, como fotossíntese e respiração. Entretanto, quando livre e em excesso, pode gerar estresse oxidativo. A toxidez por excesso de ferro trata-se do maior problema nutricional em arroz alagado, sendo responsável por perdas na produtividade. Diversas estratégias para minimizar os efeitos tóxicos do ferro vêm sendo desenvolvidas, e entre elas, o uso de cultivares tolerantes é considerada a mais efetiva. Porém, poucos dados com relação à interação entre diferentes genótipos de arroz e o ambiente encontram-se disponíveis. Utilizando-se de abordagens bioquímicas e moleculares, foram analisadas as respostas de diferentes cultivares de arroz expostas a altos níveis de ferro, crescidas em campo ou em laboratório. A toxidez por excesso de ferro teve um claro efeito foto-oxidativo, levando a quedas nos teores de clorofila, bem como a danos oxidativos. Excessivos níveis de ferro levaram a um aumento na atividade de enzimas antioxidantes, bem como a alterações no estado oxidativo da célula, modificando as concentrações das formas oxidadas e reduzidas de ascorbato e glutationa. A concentração de ferro apresentou-se variável nas cultivares tolerantes testadas. Os dados obtidos indicam que possíveis mecanismos de tolerância ao excesso de ferro podem envolver a capacidade de acumular ferro em frações superiores a 3kDa, maior atividade de SOD (através da expressão diferencial de três isoformas), bem como a limitação da captura do metal, possivelmente envolvendo a lignificação e remodelamento da parede celular das células da raiz. Altos níveis de ferro levaram ao acúmulo de transcritos dos genes de ferritina, em especial de OsFER2, dependente de um passo oxidativo, bem como à expressão de outros genes relacionados a homeostase de ferro. Cinco genes pertencentes às famílias gênicas ZIP (OsZIP1, OsZIP7 e OsZIP8) e NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5) tiveram sua expressão induzida em plantas expostas a altos níveis de ferro, sugerindo seu possível envolvimento em respostas ao excesso de ferro. Os genes OsIRT1 e OsIRT2, OsNRAMP1 e OsYS7, cuja expressão relativa foi aumentada em condições de deficiência de ferro, tiveram sua expressão reduzida em excesso de ferro. Esses genes codificam transportadores de alta afinidade por ferro, sugerindo a ocorrência de uma resposta coordenada, dependente da concentração de ferro. Plantas de cultivares de arroz distintas apresentaram diferentes mecanismos de tolerância ao excesso de ferro. / Iron is an essential nutrient for growth and development of plants, involved in important plant biological processes, such as photosynthesis and respiration. However, when free and in excessive levels inside the cell, iron can act as a pro-oxidant, leading to oxidative stress. Iron toxicity is considered the major nutritional disorder in waterlogged and lowland rice, being responsible for losses on rice production. Several management strategies have been developed to overcome iron toxicity, and the most cost-effective approach is the use of tolerant rice cultivars. Despite this, few data concerning the relation between different rice cultivars and its environment are available. Through the use of molecular and biochemical approaches, we analyzed the responses of distinct rice genotypes exposed to iron excess, cultivated in the field or in the laboratory. Iron toxicity had a clear photo oxidative damage, leading to decreases in chlorophyll levels and generating oxidative damage. Iron excess also induced the activity of antioxidant enzymes, as well as an alteration in the redox status of the cell, besides concentration varied between the studied cultivars. Mechanisms involved in the tolerance to iron toxicity may involve the capacity to accumulate iron at molecular mass fractions, a higher SOD activity (probably through the differential induction of SOD isoforms), and also the limitation of iron uptake in nutrient solution. This limitation may rely in the root cell wall remodeling and lignifications. Iron lead to an up-regulation of ferritin genes, especially OsFER2, with this induction being dependent on an oxidative step. Iron excess also lead to an induction on the relative gene expression of iron homeostasis-related genes. Five genes belonging to two distinct gene families, ZIP (OsZIP1, OsZIP7 and OsZIP8) and NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5), were up-regulated in plants exposed to iron excess, suggesting their possible role in response to excessive amounts of iron. Interestingly, five genes (OsIRT1 and OsIRT2, OsNRAMP1 and OsYS7) up-regulated by iron deficiency, were regulated in an opposite way by iron excess. All the five genes encode proteins involved in the uptake and transport of iron, suggesting a coordinated response, depending on the iron concentration. Taken together, our results indicated that different rice cultivars can use distinct tolerance mechanisms.

O ferro é um elemento essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, envolvido em processos metabólicos essenciais, como fotossíntese e respiração. Entretanto, quando livre e em excesso, pode gerar estresse oxidativo. A toxidez por excesso de ferro trata-se do maior problema nutricional em arroz alagado, sendo responsável por perdas na produtividade. Diversas estratégias para minimizar os efeitos tóxicos do ferro vêm sendo desenvolvidas, e entre elas, o uso de cultivares tolerantes é considerada a mais efetiva. Porém, poucos dados com relação à interação entre diferentes genótipos de arroz e o ambiente encontram-se disponíveis. Utilizando-se de abordagens bioquímicas e moleculares, foram analisadas as respostas de diferentes cultivares de arroz expostas a altos níveis de ferro, crescidas em campo ou em laboratório. A toxidez por excesso de ferro teve um claro efeito foto-oxidativo, levando a quedas nos teores de clorofila, bem como a danos oxidativos. Excessivos níveis de ferro levaram a um aumento na atividade de enzimas antioxidantes, bem como a alterações no estado oxidativo da célula, modificando as concentrações das formas oxidadas e reduzidas de ascorbato e glutationa. A concentração de ferro apresentou-se variável nas cultivares tolerantes testadas. Os dados obtidos indicam que possíveis mecanismos de tolerância ao excesso de ferro podem envolver a capacidade de acumular ferro em frações superiores a 3kDa, maior atividade de SOD (através da expressão diferencial de três isoformas), bem como a limitação da captura do metal, possivelmente envolvendo a lignificação e remodelamento da parede celular das células da raiz. Altos níveis de ferro levaram ao acúmulo de transcritos dos genes de ferritina, em especial de OsFER2, dependente de um passo oxidativo, bem como à expressão de outros genes relacionados a homeostase de ferro. Cinco genes pertencentes às famílias gênicas ZIP (OsZIP1, OsZIP7 e OsZIP8) e NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5) tiveram sua expressão induzida em plantas expostas a altos níveis de ferro, sugerindo seu possível envolvimento em respostas ao excesso de ferro. Os genes OsIRT1 e OsIRT2, OsNRAMP1 e OsYS7, cuja expressão relativa foi aumentada em condições de deficiência de ferro, tiveram sua expressão reduzida em excesso de ferro. Esses genes codificam transportadores de alta afinidade por ferro, sugerindo a ocorrência de uma resposta coordenada, dependente da concentração de ferro. Plantas de cultivares de arroz distintas apresentaram diferentes mecanismos de tolerância ao excesso de ferro. / Iron is an essential nutrient for growth and development of plants, involved in important plant biological processes, such as photosynthesis and respiration. However, when free and in excessive levels inside the cell, iron can act as a pro-oxidant, leading to oxidative stress. Iron toxicity is considered the major nutritional disorder in waterlogged and lowland rice, being responsible for losses on rice production. Several management strategies have been developed to overcome iron toxicity, and the most cost-effective approach is the use of tolerant rice cultivars. Despite this, few data concerning the relation between different rice cultivars and its environment are available. Through the use of molecular and biochemical approaches, we analyzed the responses of distinct rice genotypes exposed to iron excess, cultivated in the field or in the laboratory. Iron toxicity had a clear photo oxidative damage, leading to decreases in chlorophyll levels and generating oxidative damage. Iron excess also induced the activity of antioxidant enzymes, as well as an alteration in the redox status of the cell, besides concentration varied between the studied cultivars. Mechanisms involved in the tolerance to iron toxicity may involve the capacity to accumulate iron at molecular mass fractions, a higher SOD activity (probably through the differential induction of SOD isoforms), and also the limitation of iron uptake in nutrient solution. This limitation may rely in the root cell wall remodeling and lignifications. Iron lead to an up-regulation of ferritin genes, especially OsFER2, with this induction being dependent on an oxidative step. Iron excess also lead to an induction on the relative gene expression of iron homeostasis-related genes. Five genes belonging to two distinct gene families, ZIP (OsZIP1, OsZIP7 and OsZIP8) and NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5), were up-regulated in plants exposed to iron excess, suggesting their possible role in response to excessive amounts of iron. Interestingly, five genes (OsIRT1 and OsIRT2, OsNRAMP1 and OsYS7) up-regulated by iron deficiency, were regulated in an opposite way by iron excess. All the five genes encode proteins involved in the uptake and transport of iron, suggesting a coordinated response, depending on the iron concentration. Taken together, our results indicated that different rice cultivars can use distinct tolerance mechanisms.

O ferro é um elemento essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, envolvido em processos metabólicos essenciais, como fotossíntese e respiração. Entretanto, quando livre e em excesso, pode gerar estresse oxidativo. A toxidez por excesso de ferro trata-se do maior problema nutricional em arroz alagado, sendo responsável por perdas na produtividade. Diversas estratégias para minimizar os efeitos tóxicos do ferro vêm sendo desenvolvidas, e entre elas, o uso de cultivares tolerantes é considerada a mais efetiva. Porém, poucos dados com relação à interação entre diferentes genótipos de arroz e o ambiente encontram-se disponíveis. Utilizando-se de abordagens bioquímicas e moleculares, foram analisadas as respostas de diferentes cultivares de arroz expostas a altos níveis de ferro, crescidas em campo ou em laboratório. A toxidez por excesso de ferro teve um claro efeito foto-oxidativo, levando a quedas nos teores de clorofila, bem como a danos oxidativos. Excessivos níveis de ferro levaram a um aumento na atividade de enzimas antioxidantes, bem como a alterações no estado oxidativo da célula, modificando as concentrações das formas oxidadas e reduzidas de ascorbato e glutationa. A concentração de ferro apresentou-se variável nas cultivares tolerantes testadas. Os dados obtidos indicam que possíveis mecanismos de tolerância ao excesso de ferro podem envolver a capacidade de acumular ferro em frações superiores a 3kDa, maior atividade de SOD (através da expressão diferencial de três isoformas), bem como a limitação da captura do metal, possivelmente envolvendo a lignificação e remodelamento da parede celular das células da raiz. Altos níveis de ferro levaram ao acúmulo de transcritos dos genes de ferritina, em especial de OsFER2, dependente de um passo oxidativo, bem como à expressão de outros genes relacionados a homeostase de ferro. Cinco genes pertencentes às famílias gênicas ZIP (OsZIP1, OsZIP7 e OsZIP8) e NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5) tiveram sua expressão induzida em plantas expostas a altos níveis de ferro, sugerindo seu possível envolvimento em respostas ao excesso de ferro. Os genes OsIRT1 e OsIRT2, OsNRAMP1 e OsYS7, cuja expressão relativa foi aumentada em condições de deficiência de ferro, tiveram sua expressão reduzida em excesso de ferro. Esses genes codificam transportadores de alta afinidade por ferro, sugerindo a ocorrência de uma resposta coordenada, dependente da concentração de ferro. Plantas de cultivares de arroz distintas apresentaram diferentes mecanismos de tolerância ao excesso de ferro. / Iron is an essential nutrient for growth and development of plants, involved in important plant biological processes, such as photosynthesis and respiration. However, when free and in excessive levels inside the cell, iron can act as a pro-oxidant, leading to oxidative stress. Iron toxicity is considered the major nutritional disorder in waterlogged and lowland rice, being responsible for losses on rice production. Several management strategies have been developed to overcome iron toxicity, and the most cost-effective approach is the use of tolerant rice cultivars. Despite this, few data concerning the relation between different rice cultivars and its environment are available. Through the use of molecular and biochemical approaches, we analyzed the responses of distinct rice genotypes exposed to iron excess, cultivated in the field or in the laboratory. Iron toxicity had a clear photo oxidative damage, leading to decreases in chlorophyll levels and generating oxidative damage. Iron excess also induced the activity of antioxidant enzymes, as well as an alteration in the redox status of the cell, besides concentration varied between the studied cultivars. Mechanisms involved in the tolerance to iron toxicity may involve the capacity to accumulate iron at molecular mass fractions, a higher SOD activity (probably through the differential induction of SOD isoforms), and also the limitation of iron uptake in nutrient solution. This limitation may rely in the root cell wall remodeling and lignifications. Iron lead to an up-regulation of ferritin genes, especially OsFER2, with this induction being dependent on an oxidative step. Iron excess also lead to an induction on the relative gene expression of iron homeostasis-related genes. Five genes belonging to two distinct gene families, ZIP (OsZIP1, OsZIP7 and OsZIP8) and NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5), were up-regulated in plants exposed to iron excess, suggesting their possible role in response to excessive amounts of iron. Interestingly, five genes (OsIRT1 and OsIRT2, OsNRAMP1 and OsYS7) up-regulated by iron deficiency, were regulated in an opposite way by iron excess. All the five genes encode proteins involved in the uptake and transport of iron, suggesting a coordinated response, depending on the iron concentration. Taken together, our results indicated that different rice cultivars can use distinct tolerance mechanisms.

Submitted by Gabriela Lopes (gmachadolopesufpel@gmail.com) on 2016-09-14T17:00:43Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Danyela de Cassia OKKK.pdf: 2919329 bytes, checksum: 4b028560fcc6452756935db2cfeae5d1 (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-09-14T18:23:46Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Danyela de Cassia OKKK.pdf: 2919329 bytes, checksum: 4b028560fcc6452756935db2cfeae5d1 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-14T18:23:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Danyela de Cassia OKKK.pdf: 2919329 bytes, checksum: 4b028560fcc6452756935db2cfeae5d1 (MD5) Previous issue date: 2013-10-04 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / A toxidez de ferro é um dos principais estresses abióticos que afetam a cultura do arroz irrigado, sendo importante a caracterização da resposta de genótipos ao excesso de ferro. Os objetivos deste trabalho foram selecionar entre os caracteres morfológicos estudados, aqueles que possibilitem discriminar as cultivares quanto ao estresse por ferro; selecionar a concentração que pudesse separar as cultivares sensíveis das tolerantes a partir de caracteres morfológicos de plantas cultivadas em sistema hidropônico. Foram realizados dois experimentos similares que diferiram apenas no tempo de exposição ao estresse por ferro, sendo que no experimento 1, as plântulas foram submetidas as concentrações de ferro por sete dias; no experimento 2, as plântulas foram mantidas na condição de estresse por 14 dias. Os experimentos foram conduzidos em blocos casualizados, com três repetições. Os experimentos foram realizados no Laboratório de Cultivo Hidropônico e Duplo Haplóides do Centro de Genômica e Fitomelhoramento, FAEM/UFPel, em tanque de cultivo hidropônico. Foram avaliadas seis cultivares comerciais de arroz irrigado, previamente caracterizadas quanto à toxidez por ferro em condições de campo, sendo sensíveis (BR-IRGA 409, BR-IRGA 410, IRGA 417), medianamente sensível (BRS Atalanta) e tolerantes (EPAGRI 107, BRS Querência). Para a instalação de cada experimento as sementes foram desinfestadas e colocadas para germinar em BOD (câmara de germinação) com temperatura de 25ºC, com fotoperíodo de 16 horas e umidade relativa de 100% por 96 horas. Para ambos os experimentos as plantas foram cultivadas em sistema hidropônico por condição por 14 dias, na solução nutritiva. No décimo quinto dia as plantas foram submetidas aos tratamentos, sendo a concentração controle (solução nutritiva), concentração 400 (solução nutritiva + 400 mg L-1 de FeSO4.7 H2O), concentração 800 (solução nutritiva + 800 mg L-1 de FeSO4.7 H2O) e a concentração 1200 (solução nutritiva + 1200 mg L-1 de FeSO4.7 H2O). Para o experimento1, os baldes permaneceram na condição de estresse por 7 dias, enquanto que no experimento 2 baldes permaneceram na condição de estresse por 14 dias. No experimento1, as avaliações se procederam no oitavo dia, para o experimento 2, as avaliações se procederam no décimo quinto dia de estresse. Os caracteres avaliados foram: comprimento de raiz (CR), comprimento da parte aérea (CPA), número de raízes (NR), comprimento da primeira folha (CPF), comprimento da segunda folha (CSF), comprimento de coleóptilo (CC), Inserção da primeira folha (IPF), Inserção da segunda folha (ISF) e diferença de inserção entre a primeira e segunda folha (DIPSF). Os caracteres foram medidos com auxilio de régua graduada em cinco plântulas normais por balde (escolhidas aleatoriamente) para compor uma repetição. Foram utilizados os dados relativos para fazer a análise de regressão para avaliar quais os caracteres morfológicos na discriminação das cultivares. Os dados originais foram separados por concentração onde se procedeu as análises multivariadas para a melhor concentração definir na discriminação de cultivares. Para a seleção de caracteres independentemente do tempo de exposição da planta ao estresse por ferro dentre os nove caracteres avaliados apenas o comprimento de raízes e o comprimento da segunda folha mostram-se eficientes na caracterização de cultivares de arroz em sistema hidropônico. Na seleção das houve diferença entre os experimentos. No experimento 1, utilizando análises multivariadas, apenas a concentração de 1200 mg L-1 de FeSO4.7H2O, durante sete dias, possibilita a discriminação das plantas de arroz tolerantes das demais com algum nível de sensibilidade ao ferro. No experimento 2, através da mensuração de características morfológicas de plantas submetidas as concentrações de 800 e 1200 mg L-1 de FeSO4.7H2O, por 14 dias, é possível separar as cultivares em três classes sendo elas: sensíveis, mediamente sensíveis e tolerantes, utilizando análises multivariadas. / Iron toxicity is one of the major abiotic stresses that affect the irrigated rice crop, making it important the characterization of genotypes to iron excess. The objectives of this work were to select from the morphological characters, those that allow discriminating cultivars for iron stress, selecting the concentration that could separate the sensitive from tolerant cultivars by comparing morphological characters of plants grown hydroponically. Two experiments were performed, differing in the time of iron stress exposure, whereas in experiment 1, seedlings were subjected to iron concentrations for seven days, in experiment 2, the seedlings were kept in the stress condition for 14 days. The experiments were conducted in a randomized block design with three replications. The experiments were performed in the Laboratory of Hydroponics and double haploids from the Plant Genomics and Breeding Center, FAEM / UFPel in hydroponic tank. Six commercial cultivars of rice previously characterized as sensitive (BR-IRGA 409, BR-IRGA 410, IRGA 417), medium sensitive (BRS Atalanta) and tolerant (EPAGRI 107, BRS Querência) to iron were used. For the installation of each experiment the seeds were disinfested and germinated in BOD (germination chamber) with a temperature of 25 º C, with a photoperiod of 16/8 hours and 100% relative humidity for 96 hours. For both experiments the plants were grown hydroponically for 14 days in nutrient solution. On the fifteenth day the plants were transferred to control (nutrient solution), 400 concentration (nutrient solution + 400 mg L-1 FeSO4.7 H2O), 800 concentration (nutrient solution + 800 mg L-1 FeSO4.7 H2O) and the concentration 1200 (nutrient solution + 1200 mg L-1 FeSO4.7 H2O). For the Experiment 1, the pots remained in the condition of stress for 7 days, while in experiment 2, the pots remained in the stress condition for 14 days. In Experiment 1, the evaluations were conducted on the eighth day, for the experiment 2, the evaluations conducted the fifteenth day of stress. The traits were: root length (RL), shoot length (CPA), number of roots (NR), length of the first leaf (CPF), second leaf length (CSF), coleoptile length (CC) insertion of the first leaf (IPF), insertion of the second leaf (ISF), and insertion difference between the first and second sheet (DIPSF). The characters were measured with the aid of graduated scale, being evaluated five normal seedlings per pot. A regression analysis was performed to evaluate which morphological characters were more efficient in the discrimination of cultivars. The original data were separated by concentration where multivariate analyses were performed to determine the best concentration to discriminate cultivars. The traits root length and the second leaf length showed to be efficient in the characterization of rice cultivars in hydroponic culture to select characters regardless of time of exposure to iron stress. In experiment 1, using multivariate analysis, only the concentration of 1200 mg L-1 FeSO4.7 H2O, for seven days, allowed discrimination of tolerant rice plants from others with some level of sensitivity to iron. In experiment 2, through the measurement of morphological characteristics of plants subjected to the concentrations of 800 and 1200 mg L-1 FeSO4.7 H2O, for 14 days, it is possible to separate the cultivars into three classes namely: sensitive, moderately sensitive and tolerant using multivariate analyzes.