INNOVATIVE EPIGENETIC MARKERS FOR FISH DOMESTICATION

Domestisering av dyr som en pålitelig matkilde var et kritisk punkt i menneskets historie, og det preger fortsatt samfunnet vårt i dag. Fiskeoppdrett er en av de raskest voksende sektorene for matproduksjon over hele verden, siden fiskeriene ikke klarer å møte den økende etterspørselen etter fiskeprotein. For å sikre bærekraft i oppdrettssektoren er det avgjørende å selektivt forbedre de viktigste kommersielle fiskeartene. EPIFISH-prosjektet INNOVATIVE EPIGENETIC MARKERS FOR FISH DOMESTICATION har en tverrfaglig tilnærming for å adressere fiskedomestisering ved forskningsgrensen, basert på den innovative hypotesen om at epigenetiske mekanismer (f.eks. DNA-modifikasjoner og ikke-kodende RNA) er involvert i valg og tilpasning av fisk til oppdrettsforhold. Det overordnede målet med EPIFISH er å fastslå viktigheten av epigenetikk i fiskedomestisering ved bruk av Nile tilapia (Oreochromis niloticus) som modellart, siden tilapia er den nest viktigste gruppen oppdrettsfisk. Prosjektet startet med en ekskursjon til Alexandria og Luxor i Egypt. Teamet tilbrakte 7 uker med lokale fiskere som fanget levende Nile tilapia ved hjelp av tradisjonelle metoder, for eksempel feller. Fertiliserte egg samlet fra munnen til flere hunner ble fraktet til forskningsstasjonen ved Nord universitet i Bodø (Norge), hvor de ble oppdrettet i et toppmoderne resirkulerende akvakultursystem. Ved 5 måneders alder ble fiskene skilt i to grupper i henhold til vekten deres: en kontrollinje bestående av individer med gjennomsnittlig vekt og en valgt fiskelinje som var minst 10% større enn gjennomsnittet. Vi har fullført tredje generasjon seleksjon, som var målet for vårt selektive avlsprogram. Alle de nødvendige prøvene har blitt samlet menneskelig, og vi bestemmer nå hvordan muskelfibrene endret seg. Ved å bruke neste generasjons sekvensering for å sammenligne genekspresjonsnivåer i muskler, fant vi flere tusen proteinkodende gener som ble uttrykt differensielt mellom ville tilapia-hunner og deres avkom oppdratt i fangenskap. Generelt var domestisering assosiert med redusert ekspresjon av gener involvert i immunresponsen, noe som sannsynligvis er forklart av det lavere antallet patogener i forskningsstasjonen sammenlignet med ville forhold. Det var en samtidig oppregulering av gener relatert til metabolske prosesser og muskelutvikling, noe som kan forklare forbedret vekst av tamme fisker og de observerte endringene i muskelcellularitet. Vi har identifisert flere miRNAer og isomiRer som er kjent for å målrette gener involvert i metabolske veier og muskelutvikling. Flere av disse miRNAene ble uttrykt på forskjellige nivåer i muskel- og blodserum mellom langsomt og raskt voksende Niltilapia. De er lovende kandidater for epigenetiske markører (epimarkere) for vekst, siden deres uttrykk er sterkt korrelert med fiskens vekt. Vi har også utvidet vår forskning til sirkulære RNA (circRNA), som er en ny type ikke-kodende RNA. For å nå dette målet har vi utviklet en bioinformatisk rørledning for prediksjon av circRNA-vertsgener og oppdaget flere circRNAs som er relatert til vekst. Etter å ha optimalisert en protokoll for å dekke en større andel av metylerte cytosiner i genomet, har vi fått et høyoppløselig, genom-bredt metyleringskart i rask muskel av Nile tilapia. Vi har funnet mange cytosiner som var differensiert metylert mellom små og store fisk i samme alder, og som var assosiert med muskelvekst. En annen studie som sammenlignet ville og tamme fisk avslørte at differensielt metylerte gener hovedsakelig var assosiert med muskelvekst, epigenetisk regulering, immunitet og diett. Parallelt har vi fått det første mitokondrielle metylomkartet i en ikke-modell fiskeart. Vi har også undersøkt en DNA-modifikasjon kalt hydroksymetylering, siden det er økende bevis for at det er et stabilt epigenetisk merke. Vår genomprofilering viste at hydroksymetylering er en allestedsnærværende DNA-modifikasjon i hele kjernefysiske og mitokondrielle genomer både i muskel og lever. Nile tilapia domestisering var assosiert med en reduksjon i hydroksymetylering av muskler, spesielt i gener relatert til vekst og immunitet. Flere gener involvert i metabolisme og vekst ble differensielt hydroksymetylert mellom hypofyse, lever og muskler. Funksjonell karakterisering av de viktigste miRNAs, circRNAs og DNA-metylerings-/hydroksymetyleringsmerkene som vi identifiserte, kan utføres ved å bruke mikroinjeksjons- og in vitro-fertiliseringsprotokollene som vi utviklet. Disse dataene vil gi banebrytende mekanistisk innsikt i epigenetikkens rolle i fiskedomestisering, noe som sikkert vil åpne nye horisonter for forskning innen transgenerasjonell arv og ernæringsepigenetikk. Dessuten de nye epimarkere vil gi et innovativt grunnlag for et mer effektivt utvalg og økt bærekraft i havbruksnæringen.

The outcomes from EPIFISH have provided novel mechanistic insights into the role of epigenetics in fish domestication. In particular, we showed for the first time that differentially hydroxymethylated cytosines between wild and captive fish are present in genes involved in immune-, growth- and neuronal-related pathways. We also published the first single-cytosine resolution study of methylation in fast muscle of Nile tilapia in the context of growth and the early domestication process in fish, reporting the identification of muscle-related genes that were differentially methylated between slow- and fast-growing fish. Our data demonstrated that the epigenetic regulation of growth in Nile tilapia most likely involves different gene networks in males and females. There were also several differences in expression levels of non-coding RNAs (miRNAs and circRNAs) that were linked to growth performance. These findings help us to understand how animals can adapt so rapidly to captivity. In addition to representing a leap forward from the state of the art in understanding the molecular basis of fish domestication and selective breeding, these results open new horizons for future frontier research in epigenetics, namely within the fields of evolutionary biology, transgenerational inheritance and nutritional epigenetics. The growth-related non-coding RNAs and epialleles identified in EPIFISH can have a major impact on aquaculture biotechnology, since they may enable the development and application of epigenomic selection as a new feature in future selective breeding programmes. These epimarkers have the potential to cover a substantial part of the unknown variability that is missed by current selection methods and will therefore provide a much more efficient selection for robust fish (e.g., disease resistant and high growth performance), which will translate into a tremendous gain in profitability and sustainability of the aquaculture sector. The results from EPIFISH directly contribute to the UN Sustainable Development Goals i) Zero hunger (SDG2), ii) responsible consumption and production (SDG12) and iii) Life below water (SDG14).

Domestication of plants and animals has been critical to expansion of the human population and emergence of modern society as we know it. Remarkably, the number of domesticated fish species of commercial relevance is very limited, even if aquaculture is the fastest growing food production sector in the world, accounting for almost 50% of the fish for human consumption worldwide. In order to ensure the sustainability of the aquaculture industry it is critical to domesticate and selectively improve the major commercial fish species. To date, the molecular basis of domestication is poorly understood and the genetic markers used in selective breeding of fish account only for a fraction of the observed phenotypic variation. EPIFISH is a scientifically innovative and timely project that will address fish domestication and selection from a new perspective using a multidisciplinary approach. The rapid pace of substantial phenotypic changes during adaptation to new environmental conditions in fish undergoing domestication raises the original hypothesis that epigenetic mechanisms are involved in this process. Thus, the overarching aim of EPIFISH is to ascertain the importance of epigenetics in fish domestication using the Nile tilapia (Oreochromis niloticus) as model species. The identification of epigenetic markers (DNA methylation marks and miRNA variants) will be a ground-breaking element of EPIFISH with major impact on aquaculture biotechnology, since they will enable the development and application of epigenomic selection as a new feature in future selective breeding programmes. Moreover, the project outcomes will provide novel mechanistic insights into the role of epigenetics in fish domestication, which will surely open new horizons for future frontier research in epigenetics, namely transgenerational inheritance and nutritional epigenetics.