Characterization of genes and proteins related to chitin metabolism in Atlantic salmon

Abstract

Chitin is an insoluble polysaccharide and important component in the extracellular matrix of invertebrates such as arthropods, algae, and fungi. In vertebrates, the role and significance of chitin have not been deeply explored, however, studies are beginning to provide evidence of the importance of chitin and enzymes that degrade chitin in diverse species. In humans, for example, the accumulation of chitin and chitin-degrading enzymes is associated with several different diseases, while in ray-finned fish, researchers have found evidence that the presence of chitin and chitin-degrading enzymes in the skin and gastrointestinal tract can help protect the fish from parasites. The enzymes that break down chitin are called chitinases. Before evidence emerged showing that ray-finned fish produce chitin, it was thought that chitinases mainly helped to degrade dietary chitin. With increasing evidence for the presence of chitin and genes encoding chitin-producing enzymes called chitin synthases, new questions about the role of the enzymes that synthesize and break down chitin have emerged.

We have used functional genomics and proteomics to characterize genes and enzymes related to the degradation and formation of chitin in Norway's most important aquacultural species, Atlantic salmon (Salmo salar). In addition to being economically important, the species has cultural significance, forms an important part of the ecosystem, and is a genetically fascinating species to study due to the whole-genome duplication that occurred in the ancestor of salmonids about 100 million years ago. Phylogenetic analysis showed that the whole-genome duplication event led to an increased number of genes encoding chitinases and chitin synthases. Comparative gene expression analyses showed that the chitinases are mainly expressed either in the stomach or in pyloric caeca and intestine, while the chitin synthases are exclusively expressed in pyloric caeca and intestine. The chitinases and chitin synthases expressed in the pyloric caeca of Atlantic salmon followed the same trend in gene expression; increasing as the intestine matures. While neither the expression levels nor protein activity of chitinases was affected by the addition of dietary chitin, we showed that chitinases isolated from the stomach can break down chitin to chitobiose at gastric-like conditions of Atlantic salmon. We therefore propose two different roles for the chitinases in Atlantic salmon; stomach chitinases mainly break down ingested chitin, and the chitinases and chitin synthases in the pyloric caeca and intestine break down and produce chitin in the intestinal mucosa.

Kitin er et uløselig polysakkarid som er en viktig komponent i den ekstracellulære matriksen til flere virvelløse dyr som for eksempel leddyr, alger og sopp. Inntil nylig har det ikke vært forsket mye på hvilken rolle kitin spiller hos virveldyr, men flere resultater viser nå til at kitin og enzymer som bryter ned kitin også spiller en viktig rolle her. Hos mennesker er opphopning av kitin og kitinnedbrytende enzymer assosiert med flere ulike sykdommer, mens hos strålefinnefisk har forskere funnet bevis for at tilstedeværelse av kitin og kitinnedbrytende enzymer i hud og tarm kan være med på å beskytte fisken mot parasitter. Enzymene som bryter ned kitin kalles kitinaser, og før det fantes bevis for at strålefinnefisk også produserer kitin var det tenkt at kitinasene i hovedsak var med på å bryte ned kitin fra kosten. Med økt bevis for tilstedeværelse av kitin, samt gener som koder for kitin-produserende enzymer kalt kitin syntaser har nye spørsmål om rollen til enzymene som er med på å danne og bryte ned kitin meldt seg. Vi har brukt funksjonell genomikk og proteomikk til å karakterisere gener og enzymer relatert til nedbrytning og dannelsen av kitin hos Norges viktigste art i oppdrettsnæringen, atlantisk laks (Salmo salar). I tillegg til å være en viktig art både økonomisk, kulturelt og næringsmessig sett så er atlantisk laks en interessant art å studere grunnet helgenomduplikasjonen som skjedde hos stamfaren til laksefiskene for om lag 100 millioner år siden. Fylogenetiske analyser viste at denne helgenomduplikasjonen førte til et økt antall gener som koder for kitinaser og kitin syntaser. Videre viste komparative genuttrykksanalyser at kitinasene i hovedsak er uttrykt enten i magesekken eller i tarmen, mens kitin syntasene kun er uttrykt i tarmen. Kitinasene og kitin syntasene som er uttrykt i tarmen til atlantisk laks fulgte samme trend i genuttrykk; med økt genuttrykk ved modning av tarm. Mens verken genuttrykksnivåene eller proteinaktiviteten til kitinasene ble påvirket av tilføring av kitin i fôret viste vi at kitinaser isolert fra laksens magesekk kan bryte ned kitin og kitinholdige substrater til kitobiose ved forhold tilsvarende det som finnes i magesekken. Vi foreslår derfor to ulike roller for kitinasene i atlantisk laks hvor kitinasene i magesekken er tenkt å hovedsakelig bryte ned inntatt kitin, og kitinasene og kitin syntasene i tarmen er tenkt å henholdsvis bryte ned og produsere kitin i tarmoverflaten.