Stress effects on brain circadian system and monoaminergic activity in rainbow trout : mechanisms and consequences on food intake regulation

Abstract

Feeding in fish is a critical process in the performance of aquaculture farms. Feeding regulation involves a central regulatory system of the appetite and a peripheral one, which regulates the satiety. The hypothalamus integrates peripheral signals and controls ingestion by orexigenic (NPY, AGRP) and anorexigenic neuropeptides (CART, POMC, CRF). In addition, monoamines (dopamine, serotonin) modulate intake by acting on neuropeptidergic neurons. On the other hand, the feeding is organized rhythmically in time so that the fish adapt their feeding to certain moments of the day. The circadian system ensures the temporary functional organization in organisms. It includes inputs from outside (and inside) information and biological oscillators or clocks that generate rhythmic nervous and endocrine signals that adjust physiology and behavior. The basic mechanism of the biological clock integrates feedback cycles between the transcription and transduction processes of certain genes ("clock genes") and their protein products. The best-known molecular oscillator in vertebrates includes the clock, bmal, per, and cry genes, whose rhythmic expression is maintained autonomously. Its synchronization or adjustment to a specific period requires rhythmic signals linked to photoperiod, food, social interactions, etc., as well as internal neuroendocrine and metabolic signals. In the case of fish, previous studies of the UVI group where the doctoral thesis will be developed, demonstrated rhythms of clock genes in the hypothalamus of rainbow trout, with photoperiod being a primoridal factor for its adjustment, while in the liver the circadian oscillator is basic to maintain the metabolic rythmicity. Despite this, there are many unknowns about the functioning of the circadian system in fish, its adjustment with the environment and how they determine the functional (feeding, motor activity, etc) rhythmicity. Stress conditions adversely affect fish intake, and may also alter physiological and behavioral rhythms. The stress response implicates two endocrine axes that activate the release from the interrenal tissue of the hormones catecholamines and cortisol, which trigger strong physiological and metabolic changes. Previous work by the UVI group has shown that brain monoamines play an essential role in the onset of stress response. It has also been hypothesized that increased levels of cortisol under stress could exert a modulating effect on the body's rhythms and that monoamines could mediate these effects. In fish, however, a possible interaction between monoaminergic systems and circadian oscillators has not been studied, nor are the consequences of stressful situations known. This dissertation aims to increase the knowledge of the brain circadian system in teleost fish and to explore the effect of stress on the molecular mechanisms of the clock and the activity of the monoaminergic systems. It will also evaluate the consequences at the level of the regulation of food intake.

The research plan includes several experimental objectives to be developed in rainbow trout as a model of teleost fish: • Influence of stress on the circadian system and the role of cortisol. Consequences in the regulation of food intake. • The role of sirtuin in the effects of stress on hypothalamic clock genes and intake. • Circadian rhythms of brain monoamines and their adjustment to light and food. Relationship with neuropeptides that regulate the intake. • Changes in monoaminergic brain activity during chronic stress and the recovery time after stress. • Role of brain monoamines in the effect of stress on the mechanisms of the circadian clock. Implication of cortisol.

La alimentación los peces es un proceso crítico en el rendimiento de las explotaciones. En su regulación intervienen un sistema central regulador del apetito y uno periférico, regulador de la saciedad. El hipotálamo integrate las señales periféricas y controla la ingesta mediante neuropéptidos orexigenicos (NPY, AGRP) y anorexigénicos (CART, POMC, CRF). Además la monoaminas (dopamina, serotonina) modulan la ingesta actuando sobre las neuronas neuropeptidérgicas. Por otra parte, la alimentacion se organiza rítmicamente en el tiempo de forma que los peces adaptan su alimentación a determinados momentos del día. El sistema circadiano asegura la organización funcional temporal en los organismos. Incluye entradas de información del exterior (e interior) y los osciladores o relojes biológicos que generan señales rítmicas nerviosas y endocrinas que ajustan la fisiología y el comportamiento. El mecanismo básico del reloj biológico integra ciclos de retroalimentación entre los procesos de transcripción y transducción de determinados genes (“genes reloj”) y sus productos proteicos. El oscilador molecular más conocido en vertebrados incluye los genes clock, bmal1, per y cry, cuya expresión rítmica se mantiene de forma autónoma. Su sincronización o ajuste a un periodo concreto requiere de señales rítmicas ligadas al fotoperiodo, alimento, interacciones sociales, etc., así como a señales neuroendocrinas y metabólicas internas. En el caso de los peces, estudios previos del grupo de la UVI donde se desarrollará la tesis doctoral demostraron ritmos de genes reloj en hipotálamo de la trucha arco iris, siendo el fotoperiodo un factor primoridal para su ajuste, mientras que en el hígado el oscilador circadiano es fundamentel para mantener la ritmicida metabólica. A pesar de ello hay numerosas incógnitas sobre el funcionamiento del sistema circadiano en los peces, su ajuste con el ambiente y como determinan la ritmicidad en las funciones (alimentación, actividad motora, etc). Las situaciones de estrés afectan negativamente a la ingesta en los peces, pudiendo también alterar sus rítmos fisiológicos y de comportamiento. En la respuesta de estrés intervienen dos ejes endocrinos que producen la liberación desde el tejido interrenal de las hormonas catecolaminas y cortisol, las cuales desencadenan fuertes cambios fisiológicos y metabólicos. Trabajos previos del grupo de UVI han demostrado que las monoaminas cerebrales tienen un papel esencial en el inicio de la respuesta de estrés. También se ha hipotetizado que los niveles de cortisol aumentados en situación de estrés podrían ejercer un efecto modulador de los ritmos del organismo y que las monoaminas podrían mediar estos efectos. En los peces, sin embargo, no se ha estudiado una posible interacción entre los sistemas monoaminérgicos y los osciladores circadianos, ni se conocen las consecuencias que sobre ello pueden tener las situaciones de estrés. La presente tesis doctoral tiene como objetivo incrementar el conocimiento del sistema circadiano cerebral en peces teleósteos y explorar el efecto del estrés sobre los mecanismos moleculares del reloj y la actividad de los sistemas monoaminérgicos, evaluando también las consecuencias a nivel de la regulación de la ingesta. El plan de investigación incluye varios objetivos experimentales a desarrollar en la trucha arco iris como modelo de pez teleósteo: • Influencia del estrés en el sistema circadiano y el papel del cortisol. Consecuencias en la regulación de la ingesta. • Papel de las sirtuinas en los efectos del estrés sobre los genes reloj hipotalámicos y la ingesta. • Ritmos circadianos de monoaminas cerebrales y su ajuste por la luz y el alimento. Relación con neuropéptidos reguladores de la ingesta. • Cambios en la actividad monoaminérgica cerebral durante el estrés crónico y en la recuperación tras el estrés. • Papel de las monoaminas cerebrales en el efecto del estrés sobre los mecanismos del reloj circadiano. Implicación del cortisol.

A alimentación nos peixes é un proceso crítico para o rendemento das explotacións acuícolas. Na súa regulación interveñen un sistema central regulador do apetito e un periférico, regulador da saciedade. O hipotálamo integrate os sinais periféricos e controla a inxestión mediante neuropéptidos orexigenicos (NPY, AGRP) e anorexigénicos (CART, POMC, CRF). Ademais, as monoaminas (dopamina, serotonina) modulan a inxestión actuando sobre as neuronas neuropeptidérgicas. Por outra banda, a alimentacion organízase rítmicamente no tempo de forma que os peixes adaptan a súa alimentación a determinados momentos do día. O sistema circadiano asegura a organización funcional temporal nos organismos. Inclúe entradas de información do exterior (e interior) e os osciladores ou reloxos biolóxicos que xeran sinais rítmicos nerviosos e endocrinas que axustan a fisioloxía e o comportamento. O mecanismo básico do reloxo biolóxico integra ciclos de retroalimentación entre os procesos de transcrición e transducción de determinados xenes (“xenes reloxo”) e os seus produtos proteicos. O oscilador molecular máis coñecido en vertebrados inclúe os xenes clock, bmal, per e cry, cuxa expresión rítmica mantense de forma autónoma. O seu sincronización ou axuste a un período concreto require de sinais rítmicos ligados ao fotoperiodo, alimento, interaccións sociais, etc., así como a sinais neuroendocrinas e metabólicas internas. No caso dos peixes, estudos previos do grupo da UVI onde se desenvolverá a tese doutoral demostraron ritmos de xenes reloxo en hipotálamo da troita arco iris, sendo o fotoperiodo un factor primoridal para o seu axuste, mentres que no fígado o oscilador circadiano é fundamentel para manter a ritmicida metabólica. A pesar diso hai numerosas incógnitas sobre o funcionamento do sistema circadiano nos peixes, o seu axuste co ambiente e como determinan a ritmicidade nas funcións (alimentación, actividade motora, etc). As situacións de estrés afectan negativamente á inxestión nos peixes, podendo tamén alterar os seus ritmos fisiolóxicos e de comportamento. Na resposta de estrés interveñen dous eixos endocrinos que producen a liberación desde o tecido interrenal das hormonas catecolaminas e cortisol, as cales desencadean fortes cambios fisiolóxicos e metabólicos. Traballos previos do grupo de UVI demostraron que as monoaminas cerebrais teñen un papel esencial no inicio da resposta de estrés. Tamén se hipotetizou que os niveis de cortisol aumentados en situación de estrés poderían exercer un efecto modulador dos ritmos do organismo e que as monoaminas poderían mediar estes efectos. Nos peixes, con todo, non se estudou unha posible interacción entre os sistemas monoaminérgicos e os osciladores circadianos, nin se coñecen as consecuencias que sobre iso poden ter as situacións de estrés. A presente tese doutoral ten como obxectivo incrementar o coñecemento do sistema circadiano cerebral en peixes teleósteos e explorar o efecto do estrés sobre os mecanismos moleculares do reloxo e a actividade dos sistemas monoaminérgicos, avaliando tamén as consecuencias a nivel da regulación da inxestión. O plan de investigación inclúe varios obxectivos experimentais a desenvolver na troita arco iris como modelo de peixe teleósteo: • Influencia doi estrés no sistema circadiano e o papel do cortisol. Consecuencias na regulación da inxestión. • Papel das sirtuinas nos efectos do estrés sobre os xenes reloxo hipotalámicos e a inxestión. • Ritmos circadianos de monoaminas cerebrais e o seu axuste pola luz e o alimento. Relación con neuropéptidos reguladores da inxestión. • Cambios na actividade monoaminérgica cerebral durante o estrés crónico e na recuperación tras o estrés. • Papel das monoaminas cerebrais no efecto do estrés sobre os mecanismos do reloxo circadiano. Implicación do cortisol.