Epigenetic and transcriptional effects of optimizing 1-C nutrients to improve healthy growth in Atlantic salmon

Forbedring av fiskehelsen via epigenetisk regulering av genomet er en ny tilnærming innen fenotypisk plastisitet. Ernæringsbaserte epigenetiske forandringer kan føre til livslange fenotypiske endringer i økonomisk viktige egenskaper for akvakulturen. Tidlige utviklingsstadier og smoltifiseringsprosessen representerer sensitive perioder for epigenetiske endringer på arvestoffet som styrer en rekke egenskaper mot helse. DNA-metylering (meDNA) er en epigenetisk mekanisme som kontrollerer genuttrykk (GE) brukt for å differensiere vevstype og celletype, men den kan også brukes til å regulere stoffskiftet i forhold til endringer i av mikronæringsstoffer. I dette prosjektet har vi spesielt fokusert på 1C-næringsstoffene (1C): metionin, folat, vitamin B6 og vitamin B12. Hypotesen var at 1C påvirker GE-mønstre for sunn laks gjennom epigenetiske mekanismer, spesielt meDNA. Målet var å øke potensialet for sunn vekst tidlig i livet gjennom optimalisering av fôrindusert epigenetisk regulering. Dette ble oppnådd ved å studere gonader/lever (WP1), egg (WP2) og smoltifisering (WP3). WP1: DNA metyleringsprofilen til laks som fikk tre nivåer av 1C i fôret ble studert. Resultatene viser at 1C-nivåer påvirker GE så vel som epigenetisk regulering i både lever og gonade. Lever meDNA og GE påvirkes dose avhengig av 1C gitt i fôret (Saito et al., 2021a). I gonade ble det funnet at 1C i fôr påvirker meDNA (Saito et al., 2021b). Det overordnete bildet viser at de to gruppene som fikk mer 1C var mer like hverandre i forhold til kontrollfôret som hadde det laveste nivået av 1C. Dette var ulikt lever som responderte på innholdet i fôret i en mer doseavhengig meDNA-respons. Vi har her vist at gonadene til hannfisk reagerer på fôret og endrer nivået av meDNAog GE. Dette kan potensielt påvirke vekst og utvikling for neste generasjon. Hypotesen krevde at vi bioinformatisk analyserte epigenetiske data fra nukleotidsekvensering som også skulle samkjøres med det genomdupliserte genetiske materialet til laks. Metodene for denne analysen er inkludert i publikasjonene. I WP2 var målet å analysere "sesongvariasjon" i næringsstatus hos avkom fra AquaGen og korrelere med GE og meDNA. Vi analyserte to grupper av egg som ble gytt to måneder tidligere eller senere enn den normale gytesesongen i november. I tillegg fikk vi mulighet til å inkludere en ekstra gruppe avkom. Den siste gruppen gytes fem måneder før normal gyting i RAS-systemet på land. Analysene viser forskjeller i 1C status mellom sesong hos stamfisk og avkom (Skjærven et al., 2020, Skjærven et al., innsendt). På European Aquaculture 2021 presenterte vi at meDNA-profiler og GE har endret seg betydelig i de forskjellige sesongene av egg (Skjaerven et al., 2021). For WP3 var målet å optimalisere 1C i fôr før og etter smoltifisering for å belyse eventuelle endringer i vekst, 1C og epigenetisk regulering. Fôringsforsøket ble utført av Skretting ARC. Vi hadde tre nivåer av 1C som vi fôrte seks uker før og tre måneder etter smoltifisering. Dataene viste at litt mer 1C enn det som anbefales i dag for laks ga bedre vekst etter smoltifisering. Fisken som fikk de høyeste nivåene vokste ikke like godt og antas å bruke energi for å bli kvitt overskudd av 1C forbindelsene. 1C i fôret endret nivåene av frie aminosyrer (FAA) i både lever og muskler samt at mer FAA ble frigjort for vekst for fisken som fikk middels nivå 1C. Videre viste analysene for 1C og FAA i lever og muskel at nivåene påvirkes av fôrene (Espe et al., 2020). Tre måneder etter smoltifisering så vi positive endringer i hvordan leverceller kunne takle en immunrespons ved økt 1C gitt før celleforsøk (Espe et al., 2019) samt GE i muskel (Espe et al., 2020). Adam ble innvilget et post-doc for videre studier av muskel (NFR-prosjekt: 295118). Vi har analysert fisk fra alle tre fôrgruppene som viser at det er store effekter av fôret på metylering av DNA. Konklusjonen fra dette prosjektet er at mikronæringsstoff status påvirker epigenetisk programmering for stamfisk og tidlige livsstadier (WP2), smoltifisering (WP3) og vekst (WP1). For kommunikasjon og formidling arrangerte vi oppstartsmøte, vi har hatt faste prosjektmøter, og arrangerte en epigenetisk workshop i Tromsø. Vi har presentert prosjektet på hi.no, hatt intervjuer på forskning.no og intrafish.no. Publikasjonene er presentert på hi.no, forskning.no, intrafish.no og en populærvitenskapelig artikkel i NFexperts. Vi publiserte en artikkel på forskning.no med tittelen: «Tell mikronæringsstoffer i stedet for kalorier i påsken». WP2-publikasjonen ble også presentert som en overskriftsnyhet på hatcheryfm.com. Dette prosjektet har ført til nye samarbeid både nasjonalt og internasjonalt. Funnene har hatt positive effekter for både industrien, nye bedrifter og for forskningsmiljøet.

We have had the opportunity to work interdisciplinary by combining nutrition and developmental biology with epigenetic analyzes for Atlantic salmon. The project outcomes provide wide range coverage in quality-guaranteed reports to the project participants and surroundings. We have shown that micronutrient status affects the epigenome via nutrition-based programming in different phases: broodstock (WP2), early life stages (WP2), smoltification (WP3) and growth (WP1). The knowledge is of interest for breeding and feed companies and led to new protocols that focus on handling procedures considering the epigenetic signatures of farmed fish. We have communicated and presented the results in both national and international conferences (WP4). The results gained have led to new projects and establishment of new companies which focus on the epigenetic profiles of aquaculture species. The projects have also led to new international collaborations with both other research groups and companies.

Increasing the health quality represent a potential for reducing the high mortality in Atlantic salmon production. Nutritional DNA methylation changes can lead to irreversible life-long phenotypic effects, and development represents a sensitive period for the establishment of improved health quality through new DNA methylation patterns. The 1-C nutrients, methionine, folate, vitamin B6 and B12, are responsible for the transfer of the methyl group to DNA and thereby directly influence the epigenetic regulation of the gene expression. The hypothesis of this project is that the composition of 1-C nutrients affects the gene expression patterns for healthy growth (increased growth/immune capacity, and decreased fat accumulation) through epigenetic mechanisms, particularly DNA methylation. The aim is to increase the potential for healthy growth in early life stages through optimizing the dietary-induced epigenetic regulation of gene expression. This will be achieved through improved 1-C nutrient composition in a) gonads, b) eggs and c) smoltification. This will be reached by linking metabolomics, transcriptomics and epigenomics with traditional growth and histological studies for in depth studies of nutritional composition of parental feed, yolk sac nutrients or smoltification feed that sets the future potential for healthy growth. This is in line with the needs for aquaculture which is knowledge on how micronutrient availability adjust the potential for healthy growth and reduce fat accumulation through epigenetic regulation of gene expression as recently shown by us, using zebrafish as a model. We have demonstrated dietary-induced manipulation of epigenetic regulation through generations for zebrafish, and now we apply to study epigenetic regulation for salmon.