Comparative immunoendocrine responses to stressors in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and gilthead sea bream (Sparus aurata)

Abstract

Els peixos d'aqüicultura habiten un mitjà potencialment estressant que pot suposar un desafiament addicional a l'animal. En els peixos, la resposta a l'estrès comporta l'activació de l'eix Hypothalamic-Hipofisari-Interrenal (HPI) i del Cervell-Simpatico-Cromafí (BSC) com a resposta neuroendocrina que promou la secreció de les hormones de l'estrès per cèl·lules interrenals i cromafins del ronyó anterior. Per tant, la resposta a l'estrès activarà l'eix d'HPI per segregar hormones, i també modularà la resposta immune dels peixos. Fins fa poc, se suposava que l'efecte de les hormones implicades en la resposta a l'estrès fisiològic seria independent de les espècies i prou constant, però segons el nostre coneixement, cap estudi hauria comparat l'efecte de les hormones o de les condicions d'estrès idèntiques en diverses espècies. Així, l'objectiu era donar a conèixer la interacció entre el sistema neuroendocrí i el sistema immunitari en dues espècies de peixos diferents (truita arc-iris com a model d'aigua dolça i orada (com a model marí) en resposta a les hormones de l'estrès mitjançant l'avaluació de l'expressió gènica. Es va investigar la modulació de citoquines pro-inflamatòries i antiinflamatòries per hormones d'estrès, i l'inhibició hormonal específica per antagonistes en la truita de arc-iris (Oncorhynchus mykiss) i l'orada (Sparus aurata) en cultiu de cèl·lules de ronyó anterior (HKPCC). El cortisol i l'ACTH disminueixen l'expressió de gens immunitaris en orada, però no en la truita arc-iris. També es va adreçar la interacció entre el sistema endocrí i el sistema immune, en particular la resposta a la cèl·lula immune en presència d'un estimulador immune (bacterià). El tractament amb bacteri va augmentar les citoquines pro- i antiinflamatòries en ambdues espècies. Els estudis al HKPCC confirmen la interacció regional entre missatgers endocrins i citoquines al ronyó anterior, en presència de V. anguillarum, i una clara diferència entre les dues espècies tant a la sensibilitat a la bactèria com als estímuls hormonals. Es va avaluar l'efecte de l'anoxia i la immersió amb V. anguillarum sobre l'expressió gènica de la truita arc iris i orada a nivell fisiològic, avaluant el patró d'expressió tant a nivell mucosal com sistèmic. La truita arc iris i l’orada van mostrar un patró d'expressió gènica diferencial, confirmant que la resposta a un estressor a nivell local és teixit- dependent i espècie-específica. Així, l’espècie marina seria més estressable que la truita d’aigua dolça. La resposta a aquests estressors també es va avaluar a nivell sistèmic; l'efecte de l'estrès sobre l'activació de l'eix HPI i l'expressió gènica (citoquines i gens d'estrès) a la melsa i al fetge de la truita arc iris i l’orada, i l'anàlisi d'expressió en peix zebra com un altre organisme model. Conjuntament, els resultats indiquen que la cinètica de secreció de cortisol és similar a les espècies estudiades. Tanmateix, la modulació dels gens sembla disminuir a nivell sistèmic en lloc de l'increment observat a la mucosa. A més, es va estudiar l'expressió a nivell de hipotalàmic i hipofisari després de l'anoxia i la vacunació en l'orada. D'aquesta manera, els resultats confirmen que, en el sistema nerviós central, diferents estressors mostren diferents habilitats estimulants, ja que es detecta immediatament l'anòxia i la vacuna més tard, que podria estar directament associada a la dinàmica particular de la resposta central a l'estrès. El present treball dóna suport a la visió que diferents espècies mostren un perfil d'expressió gènica diferencial immunitària depenent del factor estressant. Aquestes diferències poden residir en la sensibilitat diferent als bacteris i als estímuls hormonals, i també a la dinàmica de la resposta central a aquells estressors. També es conclou que els peixos de l'aigua de mar podrien ser més sensibles a l’estrès que els peixos d'aigua dolça.

Fish under aquaculture conditions inhabit a potentially stressful medium that may impose extra challenges to the animal. In fish, the stress response involves the activation of the Hypothalamic-Pituitary-Interrenal (HPI) and Brain-Sympathetic-Chromaffin (BSC) axis as the neuroendocrine crosstalk that promotes the secretion of stress hormones by interrenal and chromaffin cells located at head kidney. Therefore, the stress response not only will activate the HPI axis to secrete hormones but also will modulate the fish immune response affecting the expression of cytokines and the whole immune reaction. Until recently, it was assumed that the effect of hormones involved in the physiological stress response is species-independent and rather constant but, to our knowledge no study compared the effect of hormones or identical stress conditions in several species at the same time. Thus, our aim was to unveil the interaction between the neuroendocrine and the immune system in two different fish species (rainbow trout as a freshwater fish model and gilthead sea bream as a marine fish model) in response to stress hormones through evaluating the gene expression. It was intended to investigate the cytokine modulation of pro- and anti-inflammatory cytokines by stress hormones and antagonist specific hormonal inhibition in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and gilthead sea bream (Sparus aurata) head kidney primary cell culture (HKPCC). Cortisol and ACTH decreased the expression of immune-related genes in sea bream but not in rainbow trout. We also aimed to investigate the interaction between endocrine and immune system particularly the immune cell response in the presence of an immune stimulator (bacterin). Overall, the studies performed in HKPCC confirm the close regional interaction between endocrine and cytokine messengers in the head kidney even in the presence of V. anguillarum, and also a clear difference between the two species in both the sensitivity to bacterin and to hormonal stimuli. We also evaluated the effect of anoxia and V. anguillarum immersion on the gene expression of rainbow trout and sea bream at physiological level, evaluating the expression pattern both at mucosal and systemic level. Our results showed a differential gene expression pattern between the two, confirming that the response to a stressor at local level is tissue-dependent and species-specific. Thereby we have found gilthead seabream more stressed than rainbow trout. The response to these stressors was also evaluated at systemic level. The effect of stress on HPI axis activation and gene expression was evaluated in spleen and liver of rainbow trout and sea bream. We also included zebrafish as a laboratory model. Altogether, our results indicate that similar cortisol secretion kinetics takes place in the rainbow trout, gilthead seabream and zebrafish. However, the modulation of genes appears to be decreased rather than the increment observed at mucosal level. By taking into considering, the highest expression of cortisol at systemic level in sea bream, the expression response in hypothalamus and pituitary hormone stress genes after anoxia and vaccination was studied in the gilthead sea bream. Thereby, the results confirm that at central nervous system different stressors show different stimulatory abilities as anoxia is perceived immediately and vaccine is not, which could be directly associated to the particular dynamics of the central stress response. In summary, our work supports the view that different species show a differential immune-related gene expression profile when subjected to several stressors. These differences may reside in the distinct sensitivity to the bacterin stimuli and to hormonal stimuli, and also to the dynamics of the central response to those stressors. We also conclude that fish from seawater may be more stressed than fresh water fish as this is confirmed with result obtained in cortisol and gene expression regulation.