Nutrient-responsive epigenetic programming in Atlantic salmon and zebrafish muscle growth

Havbruksnæringen har i stor grad erstattet fiskemel med plantebaserte råvarer i fôr av både økonomiske hensyn og på grunn av at etterspørselen har økt. Fôr til laks inneholder nå høye nivåer av plantebaserte råvarer som endrer mikronæringsstoffsammensetningen. Dette påvirker veksten og helsetilstanden. Et moderat overskudd, over dagens anbefalinger for atlantisk laks, av aminosyren metionin kombinert med B-vitaminene folsyre, vitamin B6 og B12 (disse fire kalles 1C-næringsstoff) har vist seg å forbedre veksten samt at den relative størrelsen på leveren er blitt redusert noe som er positivt for helsetilstanden. Dette prosjektet undersøker hvordan 1C-næringsstoffene i fôret til laksen påvirker opptak av næringsstoff, næringsstoffsammensetning i muskelvev, samt vekst og helse gjennom smoltifisering. Prosjektets mål var å studere samspillet mellom næringsstoffene og regulering av hvilke gener som er aktive. Reguleringen av genets aktivitet kalles epigenetisk genregulering som programmerer muskelcellene som svar på mikronæringsstoffnivåer i fôret. Epigenetikk omfatter flere ulike mekanismer som for eksempel histonmodifikasjoner og DNA metylering som regulerer genuttrykk og derved metabolismen. Cellene blir påvirket av ulike miljøfaktorer og en av disse miljøfaktorene er ernæring, og dermed kan fôret påvirke helse og sykdomstilstander ved å endre epigenetiske mekanismene. Vi målte aktive signalveier i stoffskiftet samt genenes aktivitet i muskelvev og resultatene avslørte en økt kapasitet for å bruke aminosyrene til å danne nye proteiner når vi gav fiskene mer 1-C næringsstoff i dietten. Samtidig ble også antioksidantkapasiteten bedret gjennom smoltifisering med mer 1C-næringsstoff. Kontrollgruppen hadde derimot en lavere kroppsvekt, viste tegn på kompenserende vekstregulering i muskel og økt fett i leveren etter overføring til sjøvann. Vi observerte signifikante forskjeller av enkelte 1C-næringsstoffavhengige signalveier allerede før smoltifiseringen, men forskjellene forsterket seg ytterligere da vi studerte muskel etter smoltifisering. Disse funnene viser at mengde 1C-næringstoff finjusterte interaksjonen mellom næringsstoff og genenes aktivitet som er vesentlig for økt vekstkapasitet gjennom en forbedret aminosyreutnyttelse for proteindannelse når laks ble fôret med en liten økning i 1C-næringsstoff gjennom smoltifisering. Dette arbeidet er nylig publisert i British Journal of Nutrition. For å undersøke de bakenforliggende mekanismene som avgjør aktiviteten til signalveiene og genenes aktivitet har vi gått videre med epigenetiske analyser som DNA-metylering og histonhalemodifikasjoner i samme fisk som genekspresjon ble målt på. Resultatene våre fremhever mulige næringsstoffbaserte programmeringsstrategier på vekst etter smoltifisering gjennom et overskudd av 1C-næringsstoffer før og gjennom smoltifisering. Epigenetiske endringer i tidlige livsfaser, eller som tidlig påvirkning før smoltifisering, kan programmere livslange konsekvenser for fysiologi, robusthet og vekst i saltvannsfasen etter smoltifisering. Epigenetikk endrer ikke arvestoffet (DNA) men hvordan arvestoffet brukes. Å forstå hvordan vekst styres av epigenetiske mekanismer blir viktig for en raskt voksende havbruksnæring som har som mål å optimalisere produksjon, bærekraft og kvalitet. Kunnskapen som er oppnådd i dette prosjektet har potensialet til å skreddersy fôrsammensetningen til oppdrettsfisk for å opprettholde en sunn fisk, og for å bidra til å videreutvikle innovative metoder for næringsstoffbasert programmering for å forbedre fiskens helse og vekst.

Our findings highlight potential nutritional programming strategies on how a moderate surplus of the 1C-nutrients methionine, folate, vitamin B6 and B12 prior to biological transformations such as smoltification in salmonids improves growth capacity in post-smolts after seawater transfer. Epigenetic changes in pre-smolts can program life-long consequences on physiology, robustness and growth. Understanding how growth is controlled by fine-tuned nutrient-gene-interactions becomes important for a rapidly growing aquaculture industry in terms of sustainability, quality and optimized production. The knowledge obtained in this project serves as a base for further development of innovative methods for nutritional programming strategies to improve fish health and growth over generations. Results will be made publicly available for re-use and provide valuable documentation important to aquaculture industry for customization of future feeds to produce a robust fish.

The aquaculture industry has been replacing fishmeal as the main feed ingredient with plant-based alternatives due to both economic considerations and increased demand in general. Changes in feed ingredients changes the micronutrient composition of B-vitamins and indispensable amino acids affecting the growth of farmed fish. This project uses both Atlantic salmon to determine how changes in 1-C nutrients (methionine, folate, vitamin B12 and B6) affect muscle growth by studying epigenetic mechanisms (DNA methylation and histone modifications) in Atlantic salmon muscle. Previously, we found loci specific changes in DNA methylation particularly in muscle associated with parental diet. Here, we want to understand how diet affects nutrient retention, muscle composition, growth and health through changing nutrient-responsive epigenetic mechanisms. Histone modifications together with DNA methylation regulate mRNA expression, and thereby control metabolism, which is one underlying mechanistic explanation for nutritional programming. In cooperation with NutrEpi (NRC 267787), we will determine how metabolic, mRNA and DNA methylation profiles in fast muscle change due to plant-based diets with either low or high 1-C nutrient levels throughout smoltification. The project will gain new knowledge on how diet affects nutrient-responsive epigenetic patterns in muscle of Atlantic salmon already at early and sensitive life stages. Epigenetic changes in early life stages, or as early impact in pre-smolts, can program life-long consequences on physiology, robustness and growth. The outcome and impact of this project have potential to customize feed composition in broodstock management to maintain good filet quality and robust fish through nutrition across generations.