A szivárványos pisztráng növényi alapú étrendjének táplálkozási programozásához kapcsolódó molekuláris utak a korai etetési expozíciót követően

Mukundh N. Balasubramanian

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Franciaország

Stephane Panserat

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Franciaország

Mathilde Dupont-Nivet

INRA, UMR1313 GABI Génétique Animale et Biologie Intégrative, 78350 Jouy-en-Josas, Franciaország

Edwige Quillet

INRA, UMR1313 GABI Génétique Animale et Biologie Intégrative, 78350 Jouy-en-Josas, Franciaország

Jerome Montfort

INRA, UR 1037 Laboratoire de Physiologie et Génomique des Poissons (LPGP), Rennes, Franciaország

Aurelie Le Cam

INRA, UR 1037 Laboratoire de Physiologie et Génomique des Poissons (LPGP), Rennes, Franciaország

Francoise Medale

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Franciaország

Sadasivam J. Kaushik

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Franciaország

Inge Geurden

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Franciaország

Absztrakt

Háttér

A fenntartható takarmányozási gyakorlatok megvalósítását az akvakultúrában a vadon befogott halakra való támaszkodás csökkentése révén, a halalapú takarmány növényi eredetű takarmányokkal való helyettesítésével akadályozza a magas növényi összetevőket fogyasztó halak gyenge növekedési reakciója. Legutóbbi stratégiánk a szivárványos pisztráng táplálkozási programozása a növényi (V) étrend korai rövid távú kitettségével szemben a kontroll halalapú (M) étrenddel az első etetési szakaszban, amikor a pisztráng süteményei exogén takarmányt kezdenek fogyasztani, figyelemre méltó javulást eredményezett a takarmánybevitel, a növekedés és a takarmány-felhasználás terén, amikor ugyanazokat a halakat a V étrenddel (V-fertőzés) vetették alá fiatalkori szakaszban, néhány hónappal a kezdeti expozíció után. Az első etetési és a fiatalkori szakaszban mikroszkópos expressziós elemzést alkalmaztunk a pisztráng növényi takarmány-fogadásának táplálkozási programozásához kapcsolódó mechanizmusok levezetésére.

Eredmények

A transzkriptiás elemzést szivárványos pisztráng egész serpenyőn végeztük 3 hetes V diéta vagy M diéta expozíció után az első etetési szakaszban (3 hét), valamint a juvenilis pisztráng teljes agyában és májában 25 napos V-fertőzés után, egy szivárványos pisztráng egyedi oligonukleotid mikroarray. Összességében 1787 (3 hét + agy) és 924 (3 hét + máj) mRNS próbát érintett a korai táplálás. A gén ontológia és a megfelelő gének útvonal-elemzése feltárta, hogy a táplálkozási programozás hatással van az érzéki érzékelés, a szinaptikus transzmisszió, a kognitív folyamatok és az agy neuroendokrin peptidjeire; míg a májban a közbenső anyagcserét, a xenobiotikus anyagcserét, a proteolízist és a sejtciklus citoszkeletális szabályozását közvetítő utak érintettek. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy a szivárványos pisztrángban a növényi alapú táplálék táplálkozási szempontból programozott fokozott elfogadását az íz és takarmány preferenciák valószínű megszerzése, valamint a máj metabolikus és stressz útvonalának változásaira gyakorolt ​​csökkent érzékenység vezérli.

Következtetések

Ez a tanulmány felvázolja a pisztráng agyának és májának molekuláris mechanizmusait, amelyek kísérik a pisztrángban történő növényi étrend elfogadásának táplálkozási programozását, megerősítik a petesejtes halak első táplálási szakaszának elképzelését, mint a táplálkozási programozás kritikus ablakát, és támogatást nyújtanak a felhasználáshoz. ezt a stratégiát az akvakultúra táplálkozási gyakorlatának fenntarthatóságának javítása érdekében.

Elektronikus kiegészítő anyag

A cikk online verziója (doi: 10.1186/s12864-016-2804-1) kiegészítő anyagot tartalmaz, amely az engedélyezett felhasználók számára elérhető.

Háttér

Nemrég megpróbáltuk kiaknázni a táplálkozási programozás jelenségét, hogy javítsuk a növényi alapú takarmány elfogadását a szivárványos pisztrángban [34]. Az exogén táplálkozásra átmenő pisztráng-úszók két csoportját három héten keresztül kontroll halliszt- és olajos étrendnek (M-diéta) vagy növényi étrendnek (V-diéta) tették ki. Mindkét csoportot 7 hónapig az M kontroll étrenden tartottuk. Amikor a fiatalkori pisztráng két csoportját 25 napig fertőztük növényi V diétával, az M-halakhoz képest szignifikánsan magasabb takarmányfelvételt, növekedési ütemet és takarmány-felhasználást figyeltünk meg a V-ben (lásd 1. és 34.]). Ezek a hosszú távú pozitív hatások, amelyek a növényi étrend korai kitettségének és a növényi étrend későbbi elfogadásának köszönhetők, arra utalnak, hogy a halakat táplálkozási szempontból programozták [34].

elfogadásának

Eredmények és vita

Kifejezés-profilozás

Jelen tanulmány célja meghatározni azokat a molekuláris mechanizmusokat, amelyek szabályozzák az előző növényi étrend-expozíció pozitív hatását ugyanazon növényi étrend elfogadására (takarmányfelvétel és felhasználási hatékonyság), ha 7 hónappal később adják meg őket (lásd [34]). Ezért transzkripciós elemzést végeztünk a korai táplálkozás végén összegyűjtött úszós süteményeken, amelyeket M diétával (halalapú) vagy V étrenddel (növényi eredetű) tápláltunk, valamint a fiatalok agyával és májával. V-kihívás, amikor mindkét csoport V diétát kapott (M-hal és V-hal). A kétirányú ANOVA, amelyet teljes egészében az ivadék és a juvenilis agy különbözőképpen expresszált szondáival végeztek, azt jelzi, hogy 1787-et tartósan megváltoztatták (3 hét + Agy; lásd az 1. kiegészítő fájlt és a 2. ábrát), míg a differenciálisan expresszált próbák kétutas ANOVA-ját az egész ivadék és a fiatalkori máj 924 mRNS-próbát mutatott ki tartósan a korai táplálkozási expozíció miatt (3 hét + máj; lásd 1. kiegészítő fájl és 2. ábra). A felügyelt klaszterezés (amint azt a 2. kiegészítő fájl mutatja) vizuális áttekintést nyújt az 1112 felfelé szabályozott mRNS-szondáról és az agyban lévő 675 lefelé szabályozott mRNS-próbáról, valamint az 573 felfelé szabályozott mRNS-szondáról és a 351-es lefelé szabályozott mRNS-próbák a májban táplálkozási V- és M-anamnézis alapján.

Venn-diagram, amely különbözőképpen expresszált mRNS-próbákat mutat mikroarray elemzéssel. Összefoglalás azoknak az mRNS-próbáknak a számáról, amelyek a korai táplálkozási expozíció után (3 hét) differenciálisan expresszálódnak pisztráng úszós süteményekben és V-fertőzés után a fiatal pisztrángban (agy vagy máj). Az mRNS-szondák mind expresszióban (p [táplálkozási előzmények] ≤ 0,05, és a hajtásváltozás ≥ 1,5) szignifikánsan különböznek mind az úszó pisztrángokban, mind a fiatal pisztrángokban (3 hét + agy; 3 hét + máj). Az mRNS-próbák teljes listáját az 1. kiegészítő fájl tartalmazza

A differenciálisan expresszált mRNS-próbák biológiai jelentőségének megállapítása céljából végzett gén ontológiai elemzésből kiderült, hogy azok a gének, amelyek reagálnak az agy és a máj korábbi növénytáplálására, különálló és egymással összefüggő funkcionális kategóriákba tartoznak (3. és 4. ábra) . 4). Tudomásul vesszük, hogy a teljes pisztrángmajmok (3 hetes) mRNS-expressziója és a fiatalkori pisztráng májában vagy agyában fennálló összefüggés nem lehet meghatározható a mikroarray-elemzéssel azonosított összes gén esetében. A DAVID segítségével azonban azonosítottuk azokat a hálózatokat, amelyekben a differenciálisan expresszált gének specifikus részhalmazai hozzájárulnak egy biológiai folyamathoz, majd a GeneMania alkalmazta az út elemzését [35–37], és a ko-expresszió és a a gének között létező lokalizáció (lásd az 5. ábrát, valamint a 3. és 4. kiegészítő fájlt). Ez megerősíti a fiatalkori pisztráng első táplálásakor, majd később az agyban vagy a májban bekövetkező differenciális mRNS-expresszió következményeiről folytatott vitánkat a megfigyelt, pozitívan programozott V-hal fenotípussal kapcsolatban.

A funkcionális gén ontológiai elemzések összefoglalása jelentősen gazdagodott az agy korai táplálkozási előzményei alapján. A pisztráng agyában a táplálkozási előzmények alapján 1112 felfelé szabályozott mRNS-szonda és 675 lefelé szabályozott mRNS-szonda biológiai jelentőségét a funkcionális annotációs klaszter és a DAVID (Database anotációhoz, vizualizációhoz és integrált felfedezéshez) bioinformatikai erőforrás [137, 138]. Az így kapott adatokat felhasználták a Bader Lab DAVID Enrichment Map beépülő moduljában [139, 140] a Cytoscape hálózati megjelenítő eszközben (2.8.3 verzió) [141–143]. A csomópontok (körök) az egyes GO kifejezéseket, a vonalak pedig a megfelelő GO kifejezésekhez rendelt gének közötti kapcsolatot képviselik. A kék és a zöld vonal az agyban felfelé szabályozott és lefelé szabályozott mRNS-próbákat jelent

A funkcionális gén ontológiai elemzések összefoglalása jelentősen gazdagodott a máj korai táplálkozási előzményei alapján. Az 573 felfelé szabályozott mRNS-szonda és 351 lefelé szabályozott mRNS-próba biológiai jelentőségét a pisztráng májában a táplálkozási előzmények alapján a gén ontológiai (GO) elemzés végrehajtásával állapítottuk meg, a funkcionális annotációs klaszter és a DAVID (Database) diagram eszközeivel. anotációhoz, vizualizációhoz és integrált felfedezéshez) bioinformatikai erőforrás [137, 138]. Az így kapott adatokat felhasználták a Bader Lab DAVID Enrichment Map beépülő moduljában [139, 140] a Cytoscape hálózati megjelenítő eszközben (2.8.3 verzió) [141–143]. A csomópontok (körök) az egyes GO kifejezéseket, a vonalak pedig a megfelelő GO kifejezésekhez rendelt gének közötti kapcsolatot képviselik. A kék és a zöld vonalak a májban felfelé és lefelé szabályozott mRNS-próbákat jelentenek

Az agy korai táplálkozási előzményei alapján jelentősen gazdagodott utak: Neurológiai rendszer folyamata. a A DAVID-t használó GO-analízissel összekapcsolt, egymással összekapcsolt biológiai folyamatok klaszterét, amely megismerést és a neurológiai rendszer folyamatához hozzájáruló szenzoros utakat foglal magában, a 3. ábrán leírtak szerint azonosítottuk és vizualizáltuk. . b Azokat az mRNS-próbákat (lásd az 5. kiegészítő fájl listáját), amelyeket a GO folyamat-neurológiai rendszer részének rendeltek be (fekete csíkokkal ellátott csomópontok ábrázolták), a GeneMania útelemző eszközben [35–37] használtuk bemenetként a hálózatok. A függvény jelmagyarázat (csomópontok) az mRNS szondák alhálózatát, a hálózati jelmagyarázat (vonalak) pedig a gének közötti kapcsolatot képviseli (lásd: Módszerek)

Az agy táplálkozási előzményeire reagáló gének

Az érzékszervi és homeosztatikus folyamatokat irányító központi szerv az agy talán az egyik érzékenyebb szerv, amely reagál a rendelkezésre álló takarmány minőségének korai változásaira. Tudomásunk szerint ez a tanulmány elsőként vizsgálja meg a pisztráng vagy más húsevő halak agyában jelentkező transzkripciós változásokat, válaszul a növényi alapú összetevők táplálására. A differenciálisan expresszált mRNS-ek funkcionális annotációanalízise (3. ábra) feltárta a növényi étrend korai expozíciójának perzisztens hatásait olyan folyamatokra, mint a megismerés (5. ábra), az érzékszervi transzdukció (5. ábra), a metionin metabolizmus (3. kiegészítő fájl) és több neuropeptidet és azok receptorait kódoló génen, amelyek szabályozzák a központi és perifériás táplálkozási reakciókat (3. kiegészítő fájl).

Szenzoros érzékelés és transzdukció

A korai ízesítések fontos mozgatórugók az egész életen át tartó ízek elfogadásában emlősökben. Az anyák étrendjéhez kapcsolódó magzati folyadékon keresztüli magzathoz vagy laktációval az újszülött utódokhoz kapcsolódó ízek átvitele segíthet az utódoknak a jövőbeni étrendválasztásban [30]. Vizsgálatunk során a fiatalkori pisztráng agyában azonosított, a korai étrendi expozíció által érintett gének egy kiemelkedő csoportját az összekapcsolt biológiai utakhoz rendeltük, amelyek befolyásolják az érzékszervi érzékelést, a kogníciót és a neurológiai rendszer folyamatait (5. ábra és 5. kiegészítő fájl).

Megismerés és szinaptikus plaszticitás

Homocisztein és metionin anyagcsere

Étvágy és táplálás

Amikor fontolóra vettük a táplálkozási program korai expozíciójának alkalmazását, a növényi étrend elfogadását a szivárványos pisztrángban [34], szándékosan céloztuk meg azt a kritikus első etetési szakaszt, amelynek során az endogén sárgájára, mint tápanyagforrásra való támaszkodás csökken, és felúszik. a sütés exogén takarmányt kezd fogyasztani [114]. A lazacfélék ezen fejlődési első táplálkozási periódusát szinkronizált anatómiai, fiziológiai és viselkedési változások kísérik, beleértve a szaglás és az ízreakciók plaszticitását [115, 116]. A jelenlegi agyi transzkriptum nagyon sok olyan gént tár fel, amelyekre a növény korai táplálkozása hatással van. Ezek sokféle fehérjét kódolnak, amelyek szabályozzák az érzékszervi érzékelést, a kognitív folyamatokat, az epigenetikai változásokat és a takarmányfelvételt közvetítő neuropeptideket, amelyek összefüggésben állnak a fiatalkorúak fokozott növényi étrend-elfogadásának megfigyelt fenotípusával, a növényi étrend kezdeti kitettségének tulajdonítva.

A máj táplálkozási előzményeire reagáló gének

A májban a differenciálisan expresszált mRNS funkcionális annotációs elemzése (4. ábra) feltárja, hogy a növényi étrend korai expozíciójának rövid és hosszú távú hatása van az intermedier anyagcsere folyamatokra (4. kiegészítő fájl), a fehérje lebomlását közvetítő zimogénekre (kiegészítő fájl 4), a peptidil-prolil-izomerázok fehérje hajtogatása és immunmoduláló aktivitása (4. kiegészítő fájl), valamint a stresszválaszban és a sejtciklusban részt vevő citoszkeletális fehérjékre (4. kiegészítő fájl).

Korábbi tanulmányok táplálkozási megközelítéseket alkalmaztak a májfunkció változásainak azonosítására a növényi táplálék és a hal alapú összetevők táplálása következtében [5–9]. Mindezek összehasonlították a naiv, feltétel nélküli halak közvetlen táplálkozási hatásait, amelyek viszonylag hosszú ideig táplálták a különböző takarmányokat, bár soha nem az első takarmányozás kezdetétől. Ezzel szemben tanulmányunk összehasonlítja a molekuláris válasz változását az első etetéskor (rövid távú közvetlen étrendi hatás) a fiatalkori szakaszban történő korai táplálás (közvetett hosszú távú táplálkozási programozási hatás) által kiváltott változásokkal, ha ugyanazon növényi étrendet táplálják (V-kihívás). Mindazonáltal számos korábbi génjelöltet és funkcionális utat azonosítottak az adataink megvitatásához, különös tekintettel a feltétel nélküli M-halak növénytáplálására adott válaszokra.

Közbenső anyagcsere

Zymogens

Sejten belüli fehérje hajtogatás

A V-halak májban expresszálódnak több, az intracelluláris fehérje hajtogatásához fontos peptidil-prolil-cisz-transz-izomerázban (PPIáz) [126], beleértve a ciklofillineket (PPIB, PPIG) és az FK506-kötő fehérjéket (FKBP2, FKBP7, FKBP11) (6. és további fájlok) 4). Az endoplazmatikus retikulumban (ER) a fehérje hajtogatásában részt vevő PPIB jelentős szerepet játszik a sejtek ER stressz elleni védelmében [127]. A növényi alapú étrendre váltáskor a lazacban észlelt máj-PPIáz mRNS differenciális expressziója összefüggésben lehet táplálékellenes tényezők jelenlétével, növelve a reaktív oxigénfajtákat [8]. Így a peptid-prolil-cisz-transz-izomeráz aktivitást kódoló többszörös gének növekedése, amint az a táplálkozási szempontból programozott V-halak májának PPIB-jénél tapasztalható, amikor ismét növényi étrendnek vetik alá, az oxidatív és ER-stressz hatékonyabb ellensúlyozására szolgálhat, mint a feltétel nélküli M-hal.

Citoszkeleton

A kiválasztott mikrorajellel kifejezett célok megerősítése valós idejű PCR-rel

Valós idejű PCR-analízist (7. kiegészítő fájl) kiválasztott géneken hajtottunk végre, amelyek a különböző utakat reprezentálják (lásd az 1., 5. és 6. kiegészítő fájlt), tápláléktörténettel gazdagítva az agyban vagy a májban, hogy megerősítsék a megfigyelt differenciális mRNS expressziós mintázat jelentőségét. a mikroarray adatokban. Valamennyi vizsgált gén esetében a differenciál expresszió skálájának némi eltérése ellenére a mikroarray adatok és a valós idejű PCR adatok expressziós mintája egybeesett (7. kiegészítő fájl).

A növényi étrend elfogadásának táplálkozási programozása teleosztátokban

Következtetések