Towards a genome wide understanding of salmon lipid metabolism gene regulation across tissues and life stages

Abstract

Atlantic salmon is an important source of essential omega-3 fatty acids in human diets; however, omega-3 content in farmed salmon has been decreasing over the past decade due to the replacement of fish oil in aquafeeds with more sustainable and less expensive plant oil. To alleviate this, knowledge based breeding and feeding strategies need to be employed to produce nutritious salmon high in omega-3 in a sustainable and commercially viable way. These strategies require a genome wide understanding of lipid metabolism regulation. The work presented here brings us one-step closer to this goal through the development of an advanced cell culture systems (paper I), functional annotation of lipid metabolism genes (paper II), and interrogation of lipid metabolism regulation across life stages and tissues using transcriptomics in combination with two salmon trials (papers II and III). In paper I, we aim to establish precision cut liver slice culture (PCLS) as a platform for studying lipid metabolism in Atlantic salmon. To accomplish this, we carried out three main experiments: (i) a time course to identify culturing associated effects, (ii) a fatty acid and insulin supplementation experiment to test the liver slice response, and (iii) a primary cell culture experiment to benchmark PCLS culture against traditional cell culture and whole liver. Overall, liver slices acclimatize to the cell culture environment after three days, they actively respond to insulin and fatty acids in the media in a liver-like way, and liver slices are closer to liver in vivo than primary cell culture in terms of expression of lipid metabolic pathway genes and liver marker genes. In papers II and III, we aim to characterize changes in lipid metabolism-related gene expression across tissues and life stages in Atlantic salmon. Paper II involves the functional annotation of lipid metabolism genes and identification of genome wide trends in lipid metabolism regulation in liver and gut across diets and life stages. Metabolic plasticity in liver decreases after transition to seawater and lipid metabolism-related gene expression shifts from ‘liver centric’ biosynthesis in freshwater to ‘gut centric’ digestion and absorption in seawater. Paper III focuses more on how lipid metabolism changes during smoltification and subsequent seawater transfer. Lipid metabolism related gene expression generally decreases in smolts before transition to seawater. Additionally, shortened photoperiod likely does not influence smoltification-associated changes in lipid metabolism gene expression.

Atlantisk laks er en viktig kilde til essensielle omega-3-fettsyrer for mennesker, men omega-3-innholdet i oppdrettslaks har gradvis sunket de siste 10 årene. Denne nedgangen i sunne omega-3-fettsyrer skyldes at fiskeolje i fôret har blitt erstattet med mer bærekraftige planteoljer. To mulige mottiltak er å avle frem laks som er bedre til å lagre eller lage omega-3 fettsyrer, eller finne nye fôrsammensetninger som sikrer høyt innhold av omega-3. Dette krever dybdeforståelse av hvordan laksen regulerer lipidmetabolismen, som er temaet for dette doktorgradsarbeidet. Avhandlingen beskriver et nyskapende system for dyrking av tynne skiver av vev (artikkel I), funksjonell annotering av gener involvert i lipidmetabolismen (artikkel II), og et dypdykk i genregulering av lipidmetabolismegener på tvers av livsstadier og vev (artikkel II og III). Artikkel I etablerer leversnittkultur som laboratoriemetode for å interaktivt studere lipidmetabolisme i laks. Arbidet inkluderer (i) et molekylært tidsserie-studium av i hvilken grad leversnittet bevarer sin karakter over tid, (ii) in vitro tilførsel av fettsyrer og insulin for å gjenskape aspekter ved normal leverfunksjon, og (iii) sammenlignende analyse av leversnitt og primærcellekultur. Resultatene viser at leversnitt stabiliserte seg i in vitro-miljøet etter 3 dager, responderte realistisk på endringer i insulin og fettsyretilførsel, og oppfører seg mer likt intakt lever enn primærcellekultur gjør, betraktet gjennom genuttrykk i lipidmetabolske reaksjonsveier. Artikkel II og III karakteriserer endringer i genuttrykk for lipidmetabolisme over ulike livsstadier og vev i laks. Artikkel II annoterer funksjonen til lipidgener og beskriver genregulering i lever og tarm hos laks på plante- vs fiskeoljediett i ferskvann, under smoltifisering (den fysiologiske omstillingen til saltvann) og i sjø. Effekten av diettforskjeller på stoffskiftet i lever ble svakere etter overgang til sjøvann, mens transkripsjon av gener for lipidopptak i tarm øker i sjøvann relativt til ferskvann. Artikkel III fokuserer på hvordan lipidmetabolisme-genuttrykk endres gjennom smoltifiseringsprosessen. Her fant vi at det relative uttrykket til gener involvert i lipidmetabolisme gradvis synker i smolt før de overføres til sjøvann. Simulert årstidsvariasjon i daglengde påvirket ikke genuttrykket i lever.