Análisis molecular y funcional de las sirtuínas como marcadores metabólicos en dorada (Sparus aurata)

Abstract

L’aqüicultura és el sector de producció animal amb major creixement a nivell mundial, però per aconseguir cobrir la creixent demanda d’aliments de l’agenda 2030 és necessari duplicar la producció en els propers anys, la qual cosa ha de basar-se en la generació de nou coneixement. Per aquest motiu, és necessari disposar d’unes infraestructures de referència on avaluar diferents condicions de cultiu de forma fiable i fàcilment reproduïble establint estàndards de qualitat basats en bones pràctiques sanitàries, d’alimentació i cultiu. Els últims avenços en el cultiu de l’orada (Sparus aurata) han demostrat que les dietes basades en ingredients vegetals no comprometen el potencial de creixement al llarg del cicle de producció. A més, els efectes negatius relacionats amb processos inflamatoris i canvis en la proporció de sexes, poden revertir-se, en part, mitjançant la suplementació amb àcids grassos de cadena curta (butirat). En canvi, els beneficis de la suplementació amb àcids grassos de 7-12 àtoms de carboni estan més associats amb el creixement i la resposta a l’exercici. Tot això posa en relleu la importància de conèixer en tot moment l’estat metabòlic dels animals en cultiu, per la qual cosa es requereixen marcadors que siguin capaços de relacionar la demanda d’energia amb l’activació de determinats processos o vies metabòliques. Les sirtuïnes són uns bons candidats, ja que aquests enzims son una família de proteïnes dependents de NAD+ que deacilen histones, factors de transcripció i un gran nombre d’enzims del metabolisme intermediari. Les sirtuïnes estan altament conservades tant a nivell gènic com proteic al llarg de l’evolució dels vertebrats. L’orada, a més de les 7 sirtuïnes de vertebrats, presenta còpies addicionals de les sirtuïnes 3 i 5, que també s’han identificat en altres espècies de peixos.

Les sirtuïnes d’orada s’expressen de forma ubiqua amb patrons d’expressió específics de teixit que acostumen a coincidir amb nivells alts d’expressió de les sirtuïnes 1, 2 i 5 i baixos o moderats de les sirtuïnes 3, 4, 6 i 7. Les sirtuïnes estan regulades a nivell nutricional, responent tant a la inclusió de diferents additius a la dieta com a la manca de nutrients. En el cas del dejú, les sirtuïnes 1, 5, 6 i 7 estan sobreexpressades i, en general, mostren nivells alts d’expressió en teixits amb una alta demanda energètica. Tanmateix, el patró d’expressió de les diferents sirtuïnes varia quan es compara un estat de demanda energètica degut a la falta de nutrients o a l’acceleració del creixement. En aquest sentit, animals de creixement accelerat i fenotip prim van mostrar una major expressió de les sirtuïnes amb funcions antiinflamatòries en el teixit adipós (sirtuïnes 5 i 6) i l’intestí (sirtuïnes 2, 3, 5 i 7) a més d’una disminució de l’expressió de la sirtuïna 1 a nivell hepàtic i un augment de la sirtuïna 2 al múscul. L’edat i l’estació son altres factors que afecten de forma diferencial l’expressió de les sirtuïnes a nivell hepàtic i muscular. Per tant, les sirtuïnes responen als canvis de l’estat energètic de forma diferent en funció de la intensitat i naturalesa de l’estímul que modifiqui l’estat de demanda o disponibilitat d’energia. Aquesta heterogeneïtat de la resposta també va associada a la presència (sirtuïnes 1 i 3) o absència (sirtuïnes 2, 4-7) de promotors amb illes CG, havent-se observat a nivell muscular, que l’augment de l’expressió de la sirtuïna 1 està associat a una menor metilació del promotor amb l’edat i a l’hivern.

La acuicultura es el sector de producción animal con mayor crecimiento a nivel mundial, pero para cubrir la demanda creciente de alimentos de la agenda 2030 es necesario duplicar la producción en los próximos años, lo que debe basarse en la generación de nuevo conocimiento. Para ello es condición indispensable disponer de unas infraestructuras de referencia donde evaluar diferentes condiciones de cultivo de forma fiable y fácilmente reproducible estableciendo unos estándares de calidad, basados en buenas prácticas sanitarias, de alimentación y cultivo. Los últimos avances en el cultivo de la dorada (Sparus aurata) han demostrado que las dietas basadas en ingredientes vegetales no comprometen el potencial de crecimiento a lo largo del ciclo de producción. Es más, los efectos negativos relacionados con procesos inflamatorios y cambios en la proporción de sexos, pueden revertirse, al menos en parte, mediante la suplementación con ácidos grasos de cadena corta (butirato). En cambio, los beneficios de la suplementación con ácidos grasos de 7-12 átomos de carbono están más asociados con el crecimiento y la respuesta al ejercicio. Ello pone de relieve la importancia de conocer en todo momento el estado metabólico de los animales en cultivo, por lo que se requieren marcadores que sean capaces de relacionar la demanda de energía con la activación de determinados procesos o vías metabólicas. Las sirtuínas son unos buenos candidatos al ser estas enzimas una familia de proteínas dependientes de NAD+ que deacilan histonas, factores de transcripción y un gran número de enzimas del metabolismo intermediario. Las sirtuínas están altamente conservadas tanto a nivel génico como proteico a lo largo de la evolución de los vertebrados. La dorada, además de las 7 sirtuínas de vertebrados, presenta copias adicionales de las sirtuínas 3 y 5, que también se han identificado en otras especies de peces.

Las sirtuínas de dorada se expresan de forma ubicua con patrones de expresión específicos de tejido que suelen coincidir con niveles altos de expresión de las sirtuínas 1, 2 y 5 y bajos o moderados de las sirtuínas 3, 4, 6 y 7. Las sirtuínas están reguladas a nivel nutricional, respondiendo tanto a la inclusión de distintos aditivos en la dieta como a la falta de nutrientes. En el caso del ayuno, las sirtuínas 1, 5, 6 y 7 están sobreexpresadas y en general muestran niveles altos de expresión en tejidos con una alta demanda energética. Sin embargo, el patrón de expresión de los distintos isotipos de sirtuínas es diferente cuando se compara un estado de demanda energética desencadenado por la falta de nutrientes o la aceleración del crecimiento. En este sentido, animales de crecimiento acelerado y fenotipo delgado mostraron una mayor expresión de las sirtuínas con roles antiinflamatorios en el tejido adiposo (sirtuínas 5 y 6) e intestino (sirtuínas 2, 3, 5 y 7) y una disminución de la expresión de la sirtuína 1 a nivel hepático y un aumento de la sirtuína 2 a nivel muscular. La edad y la estación son otros de los factores que afectan de forma diferencial la expresión de las sirtuínas a nivel hepático y muscular. Por tanto, las sirtuínas responden a los cambios del estado energético de forma diferente en función de la intensidad y naturaleza del estímulo que modifique el estado de demanda o disponibilidad de energía. Esta heterogeneidad de la respuesta también va asociada a la presencia (sirtuínas 1 y 3) o ausencia (sirtuínas 2, 4-7) de promotores con islas CG, habiéndose observado a nivel muscular que el aumento de la expresión de la sirtuína 1 está asociado a una menor metilación del promotor con la edad y en época invernal.

Aquaculture is the fastest growing food-producing sector worldwide, but the capacity of aquaculture to meet the future demand for seafood to deliver the goals by 2030 will largely depend on doubling production in the coming years, which should be based on the generation of new knowledge. For that purpose, it is crucial to have quality facilities to assess different farming conditions in a reliable and easily reproducible way, establishing quality standards based on good aquaculture practices (i.e. feeding, sanitation, management). The latest achievements in gilthead sea bream (Sparus aurata) have demonstrated that plant-based diets do not compromise fish growth potential over the production cycle. Moreover, the negative effects related to inflammatory processes and sex proportion can be reverted, at least in part, by the supplementation with short chain fatty acids (butyrate). In contrast, the benefits of adding 7-12 carbon fatty acids are more associated with growth and swimming performance. This highlights the importance of knowing the metabolic state of farmed fish and the interest of developing new biomarkers that link the energy demand with the activation of specific metabolic pathways. Sirtuins are good candidates because these enzymes belong to a NAD+-dependent protein family that deacylates histones, transcription factors and a wide range of metabolic enzymes. Sirtuins are highly conserved both at the gene and protein levels throughout the evolution of vertebrates. In addition to the 7 vertebrate sirtuins, gilthead sea bream also has additional copies of sirtuins 3 and 5, which have also been identified in other fish species.

Gilthead sea bream sirtuins revealed a ubiquitous gene expression pattern that was tissue-specific for each sirtuin with relatively high levels of sirtuins 1, 2 and 5 and moderate or low in the case of sirtuins 3, 4, 6 and 7. In addition, sirtuins are nutritionally regulated, responding both to the inclusion of different additives in the diet and nutrient availability. In the case of fasting, sirtuins 1, 5, 6 and 7 are up-regulated showing, in general, high gene expression levels in tissues with a high energy demand. However, the expression pattern of sirtuins is different when comparing an energy demand state caused by fasting or fast growth. In this sense, fast-growing fish with a lean phenotype showed a higher expression of sirtuins with anti-inflammatory roles in adipose tissue (sirtuins 5 and 6) and intestine (sirtuins 2, 3, 5 and 7), as well as a reduced hepatic sirtuin 1 expression and an increased sirtuin 2 expression in white skeletal muscle. Age and season are other factors that affect the expression pattern of sirtuins at hepatic and muscular level. Therefore, the differential regulation of sirtuins according to changes in energy status depends on the intensity and nature of the stimulus that modifies the state of demand or energy availability. This heterogeneity of the response is also associated with the presence (sirtuins 1 and 3) or lack (sirtuins 2, 4-7) of promoters with CG islands, being associated at muscular level the increased expression of sirtuin 1 with a lower promoter methylation with age and in winter season.