Organization, transformation, and activation of the melanocortin system in Atlantic salmon

Abstract

Atlantisk laks (Salmo salar) er en nøkkelart i norsk havbruk. Det trengs imidlertid mer kunnskap og teknologi for å kontinuerlig utvikle mer bærekraftig produksjon, forbedre dyrevelferden og for å øke den økonomiske verdien av oppdrettsfisk. På grunn av høye fôrkostnader utvikles det stategier for bedre fôrutnyttelse, og samtidig redusere matvinnet. Dette har vekket interesse for å øke vår forståelse av mekanismer for appetittkontroll som resulterer i sult og metthet, slik at fôringsregimet er i henhold til laksens behov. Melanokortinsystemet er en nøkkelregulator i reguleringen av appetitt og matinntak hos virveldyr som inkluderer nevroner som uttrykker nevropeptid y (npy), agouti-relatert peptid (agrp), kokain- og amfetaminregulert transkript (cart) og proopiomelanokortin (pomc) som kompetetivt interagerer med sekundærnevroner. Hos pattedyr spiller hypotalamus en nøkkelrolle for å registrere ernæringsstatusen til en organisme med to viktige nevronale kretsløp som uttrykker Npy/Agrp og Cart/Pomc som henholdsvis stimulerer og inhiberer matinntak. Derfor er hovedfokuset i dette arbeidet å få bedre innsikt i organisering, transformasjon og aktivering av melanokortinsystemet hos laks. Spesifikt inkluderer dette arbeidet studier for (i) kartlegging av det topografiske uttrykket av nøkkelnevropeptidene i melanokortinsystemet i hjernen, (ii) beskrivelse av hvordan overgangen fra endogen til eksogen føde påvirker gener relatert til matinntak, og energihomeostase under startfôring, og (iii) undersøke effekten av lysregimet under den embryonale utviklingen før startfôring påvirker fiskens appetittkontroll i startfôringsperioden, med en fokus på melanokortin-nevropeptidene.

For å øke forståelsen for potensiell innvirkning av melanokortinsystemet i matinntak, ble de topografiske uttrykket av npy, agrp, cart og pomc mRNA gjennom hele utstrekningen av hjernen til Atlanterhavslaks i parr stadiet kartlagt ved kromogen in situ hybridisering på koronale parallelle snitt. Etter identifisering av hypotalamisk mRNA-uttrykk, ble potensiell intracellulær ko-ekspressjon av npy/agrp og cart/pomc undersøkt i tuberal hypotalamus ved fluorescerende in situ-hybridisering. Resultatene viste at npy og cart var vidt distribuert, spesielt i sensoriske og nevroendokrine hjerneregioner. I den hypotalamiske laterale tuberalkjernen som er den antatte homologen til pattedyrets arcuatuskjernen (ENG: arcuate nucleus), var npya, agrp1, cart2b og pomca hovedsakelig lokalisert i nabonevroner; og noen få nevroner uttrykte cart2b/pomca. Dette er den første studien som demonstrerer ko-ekspressjon av cart2b/pomca i tuberal hypotalamus til en teleost. Samlet antyder dataene at den laterale tuberalkjernen er et integeringssenter for appetittkontroll hos laks, på samme måte som hos pattedyr. Ekstrahypotalamiske hjerneregioner kan også være involvert i å regulere matinntaket, inkludert luktelappen (ENG: olfactory bulb), storhjernen (ENG: telencephalon) (limbiske systemet), mellomhjernen og bakhjernen.

For å forstå overgangen fra plommesekkutnyttelse til eksogen fôring hos laks, ble det tatt prøver av fisk under det endogene fôringsstadiet (1 uke før pellet ble introdusert), og etter starten av eksogen fôringsperiode (1, 2 og 3 uker inn i eksogen fôringsperiode). Resultatene indikerte at under endogen føde var hjernen hos laksen i en "metthetstilstand" basert på det transkriptomiske uttrykket av signalveier i hjernen i motsetning til eksogen fisk. Fisk i det endogene fôringsstadie vil mest sannsynlig ikke oppleve en sultlyst da næringsstoffene i eggeplommen vil forsyne fisken med all energien som trengs for å støtte vekst og utvikling. På den andre siden var hjernen under eksogen fødeinntak i en "sulttilstand", noe som indikerer at fisken er konstant sulten og motivert til å spise, spesielt på dagtid, men at metthetssystemet i hjernen ikke er fullt utviklet i løpet av de to første ukene inn i den eksogene fôringsperioden. Tre uker inn i fôringsperioden var npya1, pomca1 og a2 de første nevropeptidene i melanokortinsystemet som viste en signifikant respons på et måltid, og at det relative utrrykket av pomca1 og a2 økte etter et måltid, noe som indikerer en hemming av appetitten.

Hvordan og i hvilken grad ulike lysforhold under den endogene fasen påvirker den eksogene fôringsperioden er ikke fullstendig forstått. Eksperimentet undersøkte effekten av lysregimer (konstant lys, lys: mørke periodisitet og konstant mørke) under tidlig utvikling viste at lys ikke hadde noen signifikant effekt på veksten hos laks i startfôringsperioden, men påvirket utnyttelsesgraden av plommesekken. Videre har lys under embryogenesen en betydelig effekt på mRNA-nivået til npya1, pomca1 og pomca2 i hjernen under den starten av fôringsperioden, og lysforhold som etterligner naturlig lys gir en bedre stimulering av appetitten hos laks.

Atlantic salmon (Salmo salar) is a key species in Norwegian aquaculture. However, further knowledge and technology are needed to continuously develop more sustainable production, improve animal welfare, and increase the economic value of farmed fish. Owing to the high cost of food in aquaculture, a more efficient utilization of food is being developed, and feed waste is reduced. As a result, it is of interest to better understand appetite-controlling systems resulting in hunger and satiety, so that feed can be administered according to the demands of the Atlantic salmon. The melanocortin system is a key regulator of appetite and food intake in vertebrates including neurons expressing neuropeptide y (npy), agouti-related peptide (agrp), cocaine- and amphetamine-regulated transcript (cart), and pro-opiomelanocortin (pomc) that competitively interact with second-order neurons. In mammals, the hypothalamus plays a key role as an “entry point” for sensing the nutritional status of an organism, with two major neuronal circuits expressing npy/agrp and cart/ pomc that play a role in the overall stimulation or inhibition of food intake. Therefore, the main focus of this work is to gain better insight into the organization, transformation, and activation of the melanocortin system in Atlantic salmon. Specifically, by (i) mapping the topographical expression of the key neuropeptides in the melanocortin system in the Atlantic salmon brain, (ii) description of how the transition from endogenous to exogenous feeding influences genes related to food intake, and energy homeostasis in first-feeding Atlantic salmon, and (iii) investigating the effect of light regimes during development on the first-feeding Atlantic salmon, with a focus on the melanocortin neuropeptides.

To better understand the potential involvement of the melanocortin system in food intake, the topographic distribution of npy, agrp, cart, and pomc mRNA were mapped in the Atlantic salmon parr brain by chromogenic in situ hybridization on coronal parallel sections. After identifying the hypothalamic mRNA expression, possible intracellular coexpression of npy/agrp and cart/pomc in the tuberal hypothalamus by fluorescent in situ hybridization was investigated. The results showed that npy and cart were widely expressed, especially in sensory and neuroendocrine brain regions. In the hypothalamic lateral tuberal nucleus, the putative homolog to the mammalian arcuate nucleus, npya, agrp1, cart2b, and pomca were predominantly localized in distinct neighboring neurons; but, some neurons coexpressed cart2b/pomca. This is the first study demonstrating coexpression of cart2b/pomca in the tuberal hypothalamus of a teleost. Collectively, the data suggest that the lateral tuberal nucleus is a center for appetite control in salmon, similar to that of mammals. Extrahypothalamic brain regions might also be involved in regulating food intake, including the olfactory bulb, telencephalon (and the limbic system), midbrain, and hindbrain.

To understand the involvement of the appetite controlling system during the transition from utilizing yolk to exogenous feeding in Atlantic salmon, fish were sampled during the endogenous feeding stage (1 week before pellets were introduced), and after the onset of exogenous feeding (1, 2, and 3 weeks into the first-feeding period). The results indicated that during the yolk sac utilization period, the Atlantic salmon brain was in a “satiety state” based on the transcriptomic expression of signaling pathways in the brain. Endogenous feeding fish will most likely not experience a hunger drive as the nutrients in the yolk will supply the fish with all the energy needed to support growth and development. On the other hand, the brain of an exogenous feeding Atlantic salmon seems to be in a “hunger state”, indicating that the fish is constantly hungry and motivated to eat, especially during day time. Indeed, satiety systems in the salmon brain seems to not be fully developed during the first two weeks into the first-feeding period. Three weeks into the first feeding period, npya1, pomca1, and a2 were the first neuropeptides of the melanocortin system that displayed a significant response to a meal, and that pomca1 and a2 increased in their relative expression after a meal, indicating an inhibition of appetite.

How and to what extent different light conditions during the endogenous phase affect the exogenous feeding period are not fully understood. The experiment investigating the effect of light regimes (constant light, light: dark periodicity, and constant darkness) during development on the first-feeding Atlantic salmon showed that light had no significant effect on growth, but influenced the yolk sac utilization rate. Furthermore, light conditions during embryogenesis have a significant effect on the mRNA level of npya1, pomca1, and pomca2 in the brain during the first feeding period. In general, light conditions that mimic natural light have a better stimulation of the appetite controlling system in Atlantic salmon.