Evolution and Ecology of AhR genes in Atlantic salmon (Salmo salar L.)

Abstract

In vertebrates, studies of the aryl hydrocarbon receptor (AhR) have been of particular interest due to its direct involvement in the toxic effects exerted by several environmental pollutants, such as PCB and dioxin. After binding to the toxic molecule, this receptor initiates transcription of several genes that are part of the biotransformation battery but most notably the cytochrome P450 (CYP) genes, which results in an excessive release of oxidative enzymes and free radicals. The AhR is represented by a single gene in mammals (AhR1) but two distinct genes reside in other vertebrates like birds and fish (AhR1 and AhR2). The Atlantic salmon (Salmo salar L.) is a common top-predator to the Baltic Sea, a region that is one of the most contaminated bodies of water within Europe after a long history of high pollution exposures. In this thesis, I describe the identification and characterization of six AhR genes in the Atlantic salmon, two AhR1 and four AhR2 genes. I have investigated if AhR genotypes interact differently with individual load of PCBs so mediating differences in AhR/CYP1A1 transcription levels and thereby also affecting tissue levels of antioxidants in foraging individuals from natural populations of Atlantic salmon in the Baltic Sea. I have identified allelic variation in the AhR2 5´-flanking region and measured the levels of PCB and astaxanthin in muscle tissue. The transcription levels of the AhR2 genes and the CYP1A1 gene were measured by real-time quantitative PCR. The analyses revealed that the relative transcription levels of the AhR2a, AhR2g and AhR2d genes were significantly correlated with the relative transcription levels of the CYP1A1 gene and that the transcription of CYP1A1 was negatively correlated with antioxidant levels (i.e. astaxanthin) in muscle. The transcription level of one of the salmon AhR genes, AhRa, was significantly associated with the AhR2a 5´-flanking region genotype and with the interaction of the genotype and individual PCB level. There was no correlation between the levels of PCB in muscle and the transcription levels of CYP1A1. These results suggest that biotransformation activity in wild Atlantic salmon individuals from the Baltic Sea may be affected by genetic polymorphisms at the AhR loci. Finally, I have investigated the evolution of AhR genes in Atlantic salmon and vertebrates by searching for AhR homologs in the database containing the complete genome of the pufferfish (Fugu rubripes). I have described the evolution of vertebrates and fish in an attempt to explain the incidence of multiple AhR genes in the salmon genome, concluding that these genes probably arose from several whole-genome duplication events in the ancestors of salmonid fish.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

När främmande fettlösliga ämnen som miljögifter (ex. PCB och dioxin) hamnar inuti kroppen bearbetas de ofta av det så kallade biotransformations-systemet. När inte levern och njurarna direkt kan utsöndra de främmande molekylerna får enzymer ändra de oönskade ämnenas kemiska sammansättning. Detta görs genom att ändra molekylernas kemiska egenskaper så att de blir vattenlösliga och lättare att få ut ur kroppen via galla eller urin. I processen där de främmande molekylerna görs vattenlösliga bildas ofta även reaktiva sidoprodukter, s.k. fria radikaler som inverkar skadligt på omgivande celler. För att skydda sig mot dessa är det därför viktigt för organismer att ha antioxidanter som fångar upp de fria radikalerna innan de hinner göra för mycket skada. Hos alla ryggradsdjur är det en speciell receptor som specifikt binder till PCB - och dioxinmolekylerna – den s.k. aryl hydrocarbon receptorn (Ah-receptorn). Receptorn återfinns fritt flytande inuti cellerna och när exempelvis dioxin binder till receptorn sätts en kedjeprocess igång som leder till att mängder av olika enzymer från biotransformationssystemet börjar produceras (se figur). Den stora produktion av fria radikaler som denna biotransformation ofta genererar kan i slutändan ge upphov till de symptom som är klassiska vid miljögiftsexponering, dvs. cellförändringar som kan bilda tumörer, nedsatt immunförsvar, dålig leverfunktion, mm. Dioxin – ett av världens mest farliga kemikalier – är så farligt just på grund av att Ah-receptorn sätter igång biotransformationssystemet i så hög grad. Ah-receptorn upptäcktes först hos laboratoriemöss där det visade sig att individer som hade olika varianter av den gen som kodade för Ah-receptorn även hade olika förmåga att binda dioxin. När man sen helt kunde ta bort den gen som kodar för Ah-receptorn insåg man vilken stark betydelse denna receptor har för de toxiska effekter som kännetecknar dioxinexponering. Dessa möss kunde nämligen inte bara överleva utan genen utan var dessutom helt resistenta mot dioxinets normala skadeeffekter. Vad som är Ah-receptorn egentliga, endogena funktion i kroppen är idag oklart. Att den har utvecklats för att binda just miljögifter är dock inte troligt eftersom dessa kemikalier bara funnits i större mängder i ekosystemet under det senaste århundradet. Dessa nya kemikalier bara ”råkar” binda till Ah-receptorn. Fiskar, och framförallt laxfiskar, har i jämförelse med däggdjur påvisats vara extra känsliga för påverkan av miljögifter. I svårt förorenade amerikanska floder där antalet friska fiskar varit på neråtgående under flera decennier observerades det under 1990-talet plötsligt att fiskarna blev allt friskare trots att mängden gifter i flodernas vatten var i stort sätt oförändrad. Detta tillskrevs förändringar i den gen som kodar för Ah-receptorn och att dessa förändringar hade minskat receptorns kapacitet att starta produktionen av reaktiva enzymer. Anledningarna till varför laxfiskar är de allra mest känsliga för miljögifter är ännu inte klarlagda. I Östersjön har miljögiftshalterna varit mycket höga under lång tid. Det var därför intressant att undersöka om Östersjölaxen har utvecklat olika varianter av Ah-receptorer som gör laxarna mindre känsliga för miljögiftspåverkan. I min avhandling visar jag att det finns fler Ah-receptor gener hos laxen än vad som hittills påvisats hos någon annan organism – hela sex stycken – vilket troligtvis är en direkt konsekvens av att hela arvsmassan hos laxens förfader fördubblades flera gånger för miljontals år sedan. Jag visar också i min avhandling att det hos laxar från Östersjön finns ett samband mellan genetiska skillnader i den del av Ah-receptorgenen som bestämmer hur många receptorer som ska uttryckas i cellerna (dvs. hur många receptorer som genen ska producera) och hur många Ah-receptorer som det faktiskt finns i levern. Min avhandling visar alltså att aktiviteten av biotransformationen hos Östersjölaxar kan påverkas av genetiska varianter av Ah-receptorn. Dessutom visar jag att mängden antioxidanter (i form av det röda pigmentet astaxanthin) i laxarnas muskler minskar i takt med att halten enzymer ökar och att ju mer fett en lax från Östersjön har, desto mer PCB finns lagrat i musklerna. Eftersom laxarna i Östersjön lagrar stora mängder fett i musklerna till deras energikrävande vandring tillbaka till lekplatserna där de själva kläcktes, är det troligt att miljögifterna kommer att påverka laxarna den dag när de påbörjar förbränningen av fettreserverna.

• author: Hansson, Maria
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Wirgin, Isaac I.
• organization: Biodiversity; Molecular Ecology and Evolution Lab (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: AhR genes, Atlantic salmon, gene evolution, phylogenetics, environmental pollutants, Baltic Sea, ecotoxicology, Animal ecology, Djurekologi
• pages: 100 pages
• defense location: Blue lecture hall, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2004-04-23 10:15:00
• ISBN: 91-7105-201-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: 1.Characterization of two distinct aryl hydrocarbon receptor (AhR2) genes in Atlantic salmon (Salmo salar) and evidence for multiple AhR2 gene lineages in salmonid fish Article: 2.Unprecedented genomic diversity of AhR1 and AhR2 genes in Atlantic salmon(Salmo salar L.) Article: 3.PCB load, Aryl hydrocarbon receptor (AhR) and CYP1A1 gene transcription in a wild population of Atlantic salmon (Salmo salar L.) in the Baltic Sea Article: 4.Evolution of Aryl hydrocarbon receptor (AhR) genes in Atlantic salmon (Salmo salar L.) from the perspective of vertebrate genomic evolution
• id: 6a9c918e-626a-4408-aeb0-8f91968119b3 (old id 466797)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:58:50
• date last changed: 2020-09-23 15:19:18