Environmental influences on the gonadal microRNome, transcriptome and metabolome in fish

Abstract

En aquesta tesi doctoral, s'estudia els efectes de la temperatura en el desenvolupament sexual, la influència d'una resposta immune en el sistema reproductiu adult i l'impacte del dimorfisme sexual en els perfils dels microARNs (miARNs), transcripció i metabolitsen peixos. Els factors ambientals, com l'augment de la temperatura de l'aigua a causa de l'escalfament global i les infeccions en piscifactories, causen pèrdues econòmiques substancials i representen desafiaments significatius per a la indústria de l'aqüicultura. L'exposició a altes temperatures durant el desenvolupament primerenc de peixos amb un sistema de determinació sexual poligènic desencadena la masculinització, generant poblacions de peixos gairebé exclusivament mascles, generant un problema ja que les femelles són el sexe preferit en l'aqüicultura en algunes espècies rellevants com la llobarro europeu (Dicentrarcus labrax). Les infeccions en piscifactories poden propagar-se ràpidament i afectar el rendiment de la producció a causa de les taxes elevades de mortalitat i la disminució de la productivitat. A més, les infeccions afecten en gran mesura a la reproducció, causant pèrdues de generacions futures. La interacció entre el sistema reproductiu i els processos immunitaris en peixos, però, continua sent poc estudiada. Per poder millorar les pràctiques d'aqüicultura, és clau entendre els mecanismes moleculars del desenvolupament sexual i el paper del sistema immune en el sistema reproductiu dels peixos. En primer lloc, vam sotmetre el llobarro europeu i el model peix zebra (Danio rerio) a altes temperatures durant el desenvolupament primerenc i vam mesurar els canvis a llarg termini en l'expressió de miARNs (Capítols 1 i 2). En els ovaris del peix zebra, 23 miARNs van ser diferencialment expressats (DE) (dotze subregulats i onze sobreregulats), mentre que només un miARN es va veure afectat en els testicles del peix zebra. En el llobarro europeu, no es van observar canvis a llarg termini en els ovaris, mentre que dotze miARNs van ser DE, quatre sobreregulats i vuit subregulats. A més, es va avaluar la conservació de miARNs amb dimorfisme sexual en deu espècies de peixos, cosa que va permetre identificar nou miARNs com a marcadors de sexe davant l'exposició a elevades temperatures de l'aigua. Un miARN específic, miR-210-5p, va ser estudiat en detall mitjançant la sobreexpressió en cèl·lules ovàriques de peix zebra per transfecció de miARN sintètic, desenvolupant, per primera vegada, un protocol in vitro en cél·lules ovàriques de peix (Capítol 3). L'anàlisi de seqüenciació de nova generació va revelar que miR-210-5p en les cèl·lules ovàriques activava l'expressió del sistema immune mentre que els gens relacionats amb la reproducció es suprimien. La interacció entre la resposta immune i el sistema reproductiu es va estudiar en mascles de peix zebra (Capítol 4) i mascles i femelles de llobarro europeu (Capítol 5) mitjançant la injecció d'un lipopolisacàrid bacterià (LPS) i Vibrio anguillarum, respectivament, 48 hores desprès de les injeccions. En testicles de peix zebra van indicar canvis en el transcriptoma i metaboloma, resultant en un total de 80 gens i cinc metabòlits com a possibles marcadors de la resposta immune testicular. Les diferències en la resposta immune entre mascles i femelles de llobarro europeu en el sistema reproductiu es van identificar combinant anàlisis dels miARNs i transcriptòmics, mostrant una resposta immune més gran en mascles en comparació amb femelles (Capítol 5). En resum, en aquesta tesi doctoral, hem mostrat patrons d'expressió de dimorfisme sexual del miARNoma, el transcriptoma i el metaboloma en el sistema reproductiu dels peixos, sota condicions normals i d'estrès ambiental (és a dir, alta temperatura i activació immune), desxifrant la interacció molecular entre el sistema mediambient-reproductiu-immune.

En esta tesis doctoral, estudiamos los efectos de la temperatura en el desarrollo sexual, la influencia de una respuesta inmune en el sistema reproductivo adulto y el impacto del dimorfismo sexual en los perfiles de microARN (miARN), transcripción y metabolismoen peces. Los factores ambientales, como el aumento de la temperatura del agua debido al calentamiento global y las infecciones en piscifactorías, causan pérdidas económicas sustanciales y representan desafíos significativos para la industria de la acuicultura. La exposición a altas temperaturas durante el desarrollo temprano de peces con un sistema de determinación sexual poligénica desencadena la masculinización, generando poblaciones de peces casi exclusivamente machos, generando un problema ya que las hembras son el sexo preferido en la acuicultura en algunas especies relevantes como la lubina europea (Dicentrarcus labrax). Las infecciones en piscifactorías pueden propagarse rápidamente y afectar el rendimiento de la producción debido a las altas tasas de mortalidad y la reducción de la productividad. Además, las infecciones afectan en gran medida a la reproducción, causando pérdidas de generaciones futuras. La interacción entre el sistema reproductivo y los procesos inmunitarios en peces, sin embargo, sigue estando poco estudiada. Para poder mejorar las prácticas en la acuicultura, es clave entender los mecanismos moleculares del desarrollo sexual y el papel del sistema inmune en el sistema reproductivo de los peces. En primer lugar, sometimos a la lubina europea y al modelo pez cebra (Danio rerio) a altas temperaturas durante el desarrollo temprano y medimos los cambios a largo plazo en la expresión de miRNA (Capítulos 1 y 2). En los ovarios del pez cebra, 23 miARNs fueron diferencialmente expresados (DE) (doce subregulados y once sobreregulados), mientras que solo un miARN se vio afectado en los testículos del pez cebra. En la lubina europea, no se observaron cambios a largo plazo en los ovarios, mientras que doce miARNs fueron DE, cuatro sobreregulados y ocho subregulados. Además, se evaluó la conservación de miARNs que presentan dimórfismo sexual en diez especies de peces, lo que permitió identificar nueve miARNs como marcadores de sexo ante la exposición de elevadas temperaturas del agua. Un miARN específico, miR-210-5p, fue estudiado en detalle mediante su sobreexpresión en células ováricas de pez cebra por transfección de miARN sintético, desarrollando por primera vez un modelo in vitro en células gonadales en peces (Capítulo 3). El análisis de secuenciación de nueva generación reveló que miR-210-5p en las células ováricas activaba la expresión del sistema inmune mientras que los genes relacionados con la reproducción se suprimían. La interacción entre la respuesta inmune y el sistema reproductivo se estudió en machos de pez cebra (Capítulo 4) y machos y hembras de lubina europea (Capítulo 5) mediante la inyección de un lipopolisacárido bacteriano (LPS) y Vibrio anguillarum, respectivamente, 48 después de las inyecciones. Los testículos de pez cebra indicaron cambios en el transcriptoma y el metaboloma, resultando en un total de 80 genes y cinco metabolitos como posibles marcadores de la respuesta inmune testicular. Las diferencias en la respuesta inmune entre machos y hembras de lubina europea en el sistema reproductivo se identificaron combinando análisis del miARNoma y el transcriptóma, mostrando una mayor respuesta inmune en machos en comparación con hembras (Capítulo 5). En resumen, en esta tesis doctoral, hemos mostrado patrones de dimorfismo sexual en la expresión del miARNoma, el transcriptoma y el metaboloma en el sistema reproductivo de los peces, bajo condiciones normales y de estrés ambiental (es decir, alta temperatura y activación inmune), descifrando la interacción molecular medioambiente-reproducción-inmune.

In this Ph.D. thesis, we study the effects of temperature on sex development, the influence of an immune response in the adult reproductive system, and sexual dimorphism impact on microRNA (miRNA), transcription and metabolic profiles in fish. Environmental factors, such as water temperature increase due to global warming and infections in fish farms, cause substantial economic losses and pose significant challenges to the aquaculture industry. Exposure to high temperatures during early development of fish with a polygenic sex determination system triggers masculinization, generating near-absolute male fish populations, while female fish are preferred in aquaculture in some relevant aquaculture species such as European sea bass (Dicentrarcus labrax). Infections in fish farms can spread rapidly and affect production yield due to increased mortality rates and reduced productivity. Additionally, infections greatly affect reproduction, causing losses of future generations. The crosstalk between the reproductive system and immune processes in fish, however, remain understudied. In order to be able to improve aquaculture practices, it is key to understand the molecular mechanisms of sex development and the role of the immune system in the reproductive system of fish. Firstly, we subjected European sea bass and zebrafish (Danio rerio) to high temperature during early development and measured long-term changes in miRNA expression (Chapters 1 and 2). In zebrafish ovaries, 23 miRNAs were differentially expressed (DE) (twelve downregulated and eleven upregulated) while only one miRNA was affected in zebrafish testes. In European sea bass, no long-term changes were observed in ovaries, while twelve miRNAs were DE, four upregulated and eight downregulated. Furthermore, conservation of sexual dimorphic miRNAs was evaluated in ten fish species allowing to identify nine miRNAs as markers for sex to heat exposure. One specific miRNA, miR-210-5p, was studied in detail through overexpression in zebrafish ovarian cells by synthetic miRNA transfection, settling down an in vitro protocol for the first time in fish gonadal cells (Chapter 3). Next generation sequencing analysis revealed that miR-210-5p in the ovarian cells activated the expression of the immune system while genes related to reproduction were suppressed. The interaction between the immune response and reproductive system was studied in zebrafish males (Chapter 4) and European sea bass males and females (Chapter 5) by injection of a bacterial lipopolysaccharide (LPS) and Vibrio anguillarum, respectively, 48 hours post infections. Zebrafish changes in the transcriptome and metabolome were assessed, resulting in a total of 80 genes and five metabolites as potential markers of the testicular immune response. Differences of the immune response between European sea bass males and females in the reproduction system were identified by combining miRNA and transcriptomic analyses after bacterial infections, showing a higher immune response in males compared to females (Chapter 5). Overall, in this Ph.D. thesis, we have shown sexual dimorphic expression patterns of the miRNome, the transcriptome and the metabolome in the fish reproductive system, under normal conditions and environmental stress (i.e., high temperature and immune activation) deciphering the molecular crosstalk in the environment-reproduction-immune system.