Stress responsiveness in salmonids : effects on genes, organs, and organisms

Abstract

Stress is an inescapable burden for fish like for all other animals. For individuals that frequently encounter stressful situations, repeated or prolonged physiological stress responses, can potentially compromise the physiological and psychological basis of that organism`s health and welfare. In particular, stress has been shown to adversely affect important biological systems such as the immune system, the central nervous system (CNS) and the cardiovascular system (CVS). The impact of stress largely depends on the inherent stress coping style of the affected individual. Stress coping style can be defined by the set of behavioral and physiological responses to stress that is consistently employed by one individual across unrelated and temporally separated situations. One such physiological stress response, which is highly heritable, yet subject to great individual variation, is the cortisol response. Cortisol, an interrenal/adrenal steroid stress hormone, is responsible for most stressrelated diseases in man as well as in fish. High heritability of the cortisol response has allowed for the generation of two strains of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) that differ consistently in stress-induced cortisol production and consequently in morphology, endocrinology, behavior and cognition. Lowresponding (LR) fish were initially selected for low post-stress cortisol levels and subsequently display proactive behaviors and endocrine profiles. High-responding (HR) fish, on the other hand, were selected for high post-stress cortisol levels and display reactive behaviors and endocrine profiles. The phenomenon of contrasting stress coping styles is attracting considerable scientific and public interest. Particularly, the recognition of individual variation in disease vulnerability has encouraged scientists to try to elucidate the biology behind stress coping. In this context, the LR-HR model serves as an excellent model to study the proximate mechanisms behind genetically linked behavioral and physiological trait characteristics. In this work we aimed at investigating CNS plasticity and cardiac remodeling by integrating studies at the molecular (genes), physiological-anatomical (organ) and behavioral (organism) levels in the context of divergent stress coping styles. In particular, we investigated putative CNS mechanisms controlling behavior and memory retention (i.e. mRNA expression of genes involved in the cortisol response, postembryonic neurogenesis and neuronal plasticity) in stressed and non-stressed LR and HR rainbow trout. Further, the association between cortisol responsiveness and cardiac morphology (i.e. size, composition and collagen depositions) and gene expression (i.e. mRNA expression of specific markers of cardiac remodeling) in LR and HR rainbow trout was explored. Finally, we investigated if a trait correlation between cortisol responsiveness and heart size also existed in wild-type European brown trout (Salmo trutta). We discovered that the expression of central cortisol receptors was affected by heritable variation in stress coping (i.e. LR vs. HR) and downregulated by stress in a brain region-specific manner. We also found that the expression of genes involved in CNS plasticity was affected by heritable variation in stress coping and also differentially affected by short – and long-term stress. Lastly, we show that high cortisol responsiveness was associated with cardiac remodeling (i.e. growth) in HR fish and in high cortisol-responding wild-type brown trout. Further, the cardiac growth in HR fish appeared to be caused mainly by hypertrophic growth of the compact myocardium. This growth was accompanied by focal collagen depositions and a high expression of genes involved in hypertrophy, development of fibrosis and the cortisol response. The latter indicates that cortisol is directly mediating the cardiac remodeling in HR trout. Combined, the results showing that the expression of central cortisol receptors and genes involved in CNS plasticity differed between LR and HR trout, can contribute to increased knowledge about the proximate mechanisms behind genetically linked physiological and behavioral trait characteristics. Also, the strong association between cortisol responsiveness and cardiac remodeling in two salmonid species suggests that cortisol might be a general causative factor in salmonid cardiac disease. The presence of this anatomicalphysiological trait correlation in a wild population of salmonids, also suggests an ecologicalevolutionary role for individually variable heart function.

Stress er et uunngåelig onde for fisk så vel som for alle andre dyregrupper. For individer som ofte opplever stressende episoder, kan gjentatte og/eller langvarige fysiologiske stressresponser potensielt kompromittere det fysiologiske og psykologiske grunnlaget for helse og velferd. Spesielt har stress vist seg å ha skadelige effekter på viktige biologiske systemer som sentralnervesystemet (SNS) og det kardiovaskulære systemet (KVS). Virkningen av stress avhenger i stor grad av det berørte individets iboende stressmestringsevne. En stressmestringsstrategi kan defineres ut ifra de atferdsmessige og fysiologiske stressresponsene som konsekvent anvendes av et individ på tvers av urelaterte og tidsavskilte situasjoner. Et eksempel på en slik fysiologisk respons, som er svært arvelig, dog gjenstand for betydelig individuell variasjon, er kortisol-responsen. Kortisol, et stresssteroidhormon produsert i interrenale celler/binyrene, er ansvarlig for de fleste stress-relaterte sykdommer hos fisk og hos menneske. Det faktum at kortisol-responsivitet er svært arvelig, har gjort det mulig å utvikle to stammer av regnbueørret (Oncorhynchus mykiss) som konsekvent responderer på stress med forskjellige kortisol-nivåer. De to stammene viser også forkjeller i atferd, morfologi, endokrinologi og kognisjon. Lav-responsive (LR)-fisk ble opprinnelig selektert for en lav kortisol-respons etter stress og viser proaktiv atferd og fysiologi. Høy-responsive (HR)-fisk, derimot, ble selektert for en høy kortisol-respons etter stress og har en reaktiv atferd og fysiologi. Fenomenet ”stressmestringsstrategi” vekker betydelig vitenskapelig og allmenn interesse. Spesielt har anerkjennelsen av individuell variasjon i sykdomssårbarhet oppmuntretforskere til å forøke å belyse biologien bak forkjeller i stressmestring. I denne sammenheng fungerer LR-HR-modellen som en utmerket modell for å studere proksimate mekanismer bak genetisk knyttede atferdsmessige og fysiologiske trekk. I dette arbeidet hadde vi som mål å undersøke SNS-plastisitet og remodellering av hjertet ved å integrere studier på det atferdsmessige (organismer), fysiologisk-anatomiske (organer) og molekylære (genregulering) plan i sammenheng med divergerende stressmestringsstrategier. Mer presist undersøkte vi antatte SNS-mekanismer som kontrollerer atferd og minneretensjon (dvs. mRNA-uttrykk av gener involvert i kortisol-responsen, postembryonal nevrogenese og nevronal plastisitet) i stressede og ustressede LR – og HR-regnbueørret. Vi har også undersøkt sammenhengen mellom kortisol-responsivitet og hjerte-morfologi (dvs. størrelse, komposisjon og kollagen-avsetninger) og gen-uttrykk av spesifikke markører for hjerte-remodellering i LR – og HR-regnbueørret. Til sist undersøkte vi om det eksisterte en korrelasjon mellom kortisol-responsivitet og hjertestørrelse også i vill-type brunørret (Salmo trutta). Vi viser at uttrykket av sentrale kortisol-reseptorer var påvirket av arvelig variasjon i stressmestring og ble nedregulert av stress avhengig av hjernedel. Vi viser også at uttrykket av gener involvert i SNS-plastisitet var påvirket av arvelig variasjon i stressmestring (LR vs. HR), men også ulikt berørt av korttids – og langtidsstress. Vi viser også at en høy kortisolresponsivitet var assosiert med remodellering av hjertet (dvs. vekst) i HR fisk og i vill-type brunørret med en høy kortisol-respons. Videre viser vi at hjerteveksten i HR-fisk hovedsakelig skyldtes hypertrofisk vekst av kompakt myokardium. Hjerteveksten var også ledsaget av fokale kollagenavsetninger og et høyt uttrykk av gener involvert i hypertrofi, utvikling av fibrose og kortisol-responsen. Sistnevnte indikerer at kortisol direkte medierer remodellering av hjertet i HR-ørret. Våre resultater, som viser at uttrykket av sentrale kortisol-reseptorer og gener involvert i SNS-plastisitet varierer mellom LR – og HR- ørret, kan potensielt bidra til økt kunnskap om proksimate mekanismer bak genetisk knyttede fysiologiske og atferdsmessige trekk. Dessuten indikerer en sterk assosiasjon mellom kortisol-responsivitet og remodellering av hjertet, i to arter av laksefisk, at kortisol kan være en medvirkende faktor i utvikling av hjertesykdom hos salmonider. Tilstedeværelsen av denne anatomisk-fysiologiske sammenhengen i en vill populasjon av laksefisk, kan tyde på en økologisk-evolusjonær rolle for individuell variasjon i hjertefunksjon.