Fortschritte in der Gentechnik
Offener Zugang

Abstrakt

Genomics 2019: Thermische Anpassung des Yamame (Oncorhynchus masou) an einen normalen Zustand nach Hitzestress

Waraporn Kraitavin

Das Verständnis des Mechanismus der Temperaturänderung ist für Kaltwasserfische von entscheidender Bedeutung, um sich an die anhaltenden gefährlichen Wetterschwankungen anzupassen. Dies gilt insbesondere für Yamame (Oncorhynchus masou), eine bedeutende Hydrokulturart aus der Familie der Salmonidae. Ziel dieser Studie ist es, die flexible Reaktion hochtemperaturtoleranter Yamame unter normalen Bedingungen nach Hitzestress zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde eine Gruppe von Yamame durch gezielte Aufzucht entwickelt, um eine hohe Temperaturresistenz zu erreichen. Anschließend führten wir einen Test mit höherer Temperaturresistenz durch und unterteilten diese in eine HT-Gruppe (für die hochtemperaturtolerante Gruppe) und eine NT-Gruppe (für die nicht hochtemperaturtolerante Gruppe). Nach sieben Tagen wurden RNAs aus den Kiemengeweben entnommen und durch Untersuchung der mRNA-Expressionsprofile mithilfe des Illumina HiSeq 4000 Sequencing System analysiert. Insgesamt wurden 2.893 differentiell kommunizierte Gene (DEGs) der Kiemen durch Untersuchung der HT- und NT-Gruppen identifiziert. Anschließend wurden funktionelle Untersuchungen durchgeführt, um verwandte Genetikbegriffe (GO) und den Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)-Pfad zu identifizieren. Es wurden mehrere differentielle biologische Pfade identifiziert und wir fanden heraus, dass das HT eine höhere verwandte Genetikkommunikation in der ECM-Rezeptor-Interaktion, in Zellbindungsmolekülen (CAMs), in der Zellinteraktion und im Bindungspfad im Vergleich zum Kiemengewebe im NT aufwies. Diese Gene stehen im Zusammenhang mit der Reparatur des beschädigten Gewebes und mit der Alterung des Zytoskeletts des Menschen. Auf dieser Grundlage schlussfolgerten wir, dass sich das HT unter normalen Bedingungen nach dem Durchlaufen von Hitzestress schneller anpassen kann als das NT. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um hitzetolerante Yamame und andere Salmoniden zu züchten.

Yamame (Masu-Lachs; Oncorhynchus masou) ist ein Mitglied der Familie Salmonidae und kommt in japanischen Gewässern vor. Es handelt sich um eine nicht-überlebende Art von Masu-Lachs, die während ihres Lebenszyklus dauerhaft in ihren Geburtsgewässern lebt. Wenn die Temperaturen auf der Welt aufgrund eines unnatürlichen Klimawandels steigen, werden kalte Süßwasserfische wie Regenbogenforellen und Yamame davon betroffen sein. Hohe Wassertemperaturen können den Stoffwechsel, den Proteinabbau und die Immunabwehr von Fischen beeinträchtigen und zu einem höheren Krankheitsrisiko bei Fischen führen. Diese Faktoren, die unter Hitzestressbedingungen auftreten, verringern wiederum ihre Eierproduktion und Fruchtbarkeit. Darüber hinaus spielen die flexiblen Reaktionen nach Hitzestress auch eine wichtige Rolle bei der Genesung. Laut Liu et al. zeigen warmoffene Fische eine kürzere Dauer der Hitzestressreaktion und einen früheren Abbau von HSP70-Proteinen, wenn sie Hitzestress ausgesetzt sind. Das Fischereiforschungsinstitut der Präfektur Miyazaki hat 1996 durch spezielle Zucht hochtemperaturtolerante (HT) Regenbogenforellen entwickelt. Darüber hinaus zeigten die thermisch selektierten Regenbogenforellen im Vergleich zur durchschnittlichen Gruppe ohne Hitzestress stark ausgeprägte Werte der Hitzeschockprotein-Eigenschaften (HSP). Hohe Temperaturen aktivieren Zellzentren und initiieren die Proteinfreisetzung, die wiederum Proteinfaktoren aktiviert, darunter Hitzeschockfaktor 1 (HSF1), Tumorprotein (p53) und molekularer Faktor-kappa B (NF-kB); solche Temperaturen ermöglichen es HSF1 auch, HSPs (HSP70 und HSP90) im Zytoplasma freizusetzen. HSPs sind submolekulare Chaperone, die mit der Hitzeresistenz in Zusammenhang stehen, indem sie z. B. die Proteinansammlung verhindern, beschädigte Proteine ​​unterstützen und als wichtige Funktionen fungieren, um sich an Hitzestress in der Zelle anzupassen. HSPs stehen in Zusammenhang mit Hitzestress bei Tilapia, Regenbogenforelle, Killifisch und Wels. Hitzestress verursacht Gewebeschäden durch Apoptose und Fäulnis, was die Geschwindigkeit der Zellvermehrung und des Stoffwechsels zur Aufrechterhaltung der Zellaktivitäten erhöht. p53 steht mit dem p53-Signalweg in Verbindung, der durch das äußere Klima, insbesondere Hitzestressbedingungen, aktiviert wird.

In diesem Artikel wird die RNA-Sequenzierung von Kiemen und Fettblättern beschrieben, die sieben Tage nach Hitzestress in einem normalen Zustand von Yamame abgelöst wurden. Wir identifizierten 2893 DEGs der Kiemen und 836 DEGs des Fettblattes. Unsere Untersuchung ergab, dass die HT-Gruppe eine hohe Expression von HSP70 und GRP75 in Kiemen- und Fettblattgeweben einzeln und eine geringere Expression von IKBA in beiden Geweben im Vergleich zur NT-Gruppe aufwies, was eine wichtige Rolle bei der Hitzeresistenz von Fischen spielen könnte. Darüber hinaus waren die ECM-Merkmale und einige mit der Zellkreuzung und -haftung in Kiemengewebe verbundene Merkmale in der HT-Gruppe stark ausgeprägt; diese damit verbundenen Merkmale könnten eine wichtige Rolle bei der Heilung geschädigter Gewebe spielen. Im Fettgewebe waren die Merkmale des Glykolysewegs in der HT-Gruppe im Vergleich zur NT-Gruppe stärker ausgeprägt, was für die Wiederherstellung der Zellaktivitäten in ihren normalen Zustand von Bedeutung sein könnte. In dieser Studie haben wir auch die Verdeckung des p53-Signalwegs in der HT-Gruppe im Normalzustand entdeckt, was mit dem p73-Ausdruck zusammenhängen könnte. Eine Reihe von Merkmalen wurde im Normalzustand in Kiemen- und Fettblattgewebe zwischen den HT- und NT-Gruppen unterschiedlich kommuniziert und könnte mit dem Unterschied der Hitzeresistenzfähigkeit im Hitzestresszustand bei Yamame in Verbindung gebracht werden. Diese Erkenntnisse könnten hilfreich sein, um die Faktoren der Hitzeresistenz der HT-Gruppe zu verstehen, was bei der Entwicklung einer hitzeresistenten Sorte von Yamame und anderen Fischen helfen könnte.