Study of host defense peptides in gilthead seabream (Sparus aurata)

Abstract

La dorada (Sparus aurata) es una especie de gran relevancia comercial en la acuicultura mediterránea, sector que ha crecido exponencialmente desde la década de 1980. Sin embargo, enfrenta desafíos considerables debido a enfermedades infecciosas como la vibriosis causada por Vibrio harveyi, que afectan tanto la salud de los peces como el comercio, generando pérdidas económicas importantes. El cambio climático exacerba estos problemas al incrementar la virulencia de los patógenos y la frecuencia de enfermedades. Esta tesis doctoral explora el papel de los péptidos de defensa del huésped (HDPs), como las hepcidinas y las piscidinas, en la respuesta inmune de la dorada. Se plantea identificar y examinar nuevos genes HDP, su historia evolutiva, su expresión basal en condiciones normales y su regulación ante patógenos. El primer artículo analiza la expansión de los genes de hepcidina en la dorada, identificando quince genes en el cromosoma 17, lo que representa el mayor número encontrado en vertebrados. Este estudio utilizó análisis genómicos como los Modelos Ocultos de Markov para identificar estos genes, que exhiben perfiles específicos de expresión en diferentes tejidos y respuestas a desafíos bacterianos, mostrando una regulación compleja. La presencia de múltiples genes con funciones diversas subraya la adaptabilidad del sistema inmunológico de la dorada. El segundo artículo examina dos genes de piscidina, pisc1 y pisc2, que desempeñan roles distintos in vitro e in vivo. El gen pisc1 se expresa principalmente en el timo, sugiriendo una función en la inmunidad adaptativa, mientras que pisc2 responde de manera variable a patógenos, indicando su papel en la defensa innata. La expresión diferencial de estos genes sugiere que las piscidinas tienen funciones especializadas y sinérgicas en la respuesta a amenazas microbianas. El tercer artículo explora la relación entre los genes de hepcidina y la homeostasis del hierro. Al inducir una sobrecarga de hierro, se observaron alteraciones en las respuestas inmunitarias y la morfología hepática, como la vacuolización y la desorganización celular. Los resultados muestran una regulación compleja de los genes de hepcidina, con hamp1 regulado al alza y hamp2.4 y hamp2.5 a la baja, lo que indica un equilibrio entre el control del hierro y la defensa antimicrobiana. El cuarto artículo investiga la modulación de los genes de hepcidina y piscidina tras una infección por V. harveyi, encontrando cambios significativos en la morfología hepática y la expresión de genes en varios tejidos. El estudio reveló una disminución en la actividad bactericida en el moco de la piel, mientras se mantenía en el suero, lo que sugiere estrategias inmunológicas diferenciadas. En conclusión, esta tesis proporciona una visión completa sobre la diversidad genética y funcional de los HDPs en la dorada. La expansión de los genes y los roles especializados de las hepcidinas y piscidinas subrayan su importancia en la defensa inmunológica y la regulación del hierro. Estos hallazgos ofrecen biomarcadores potenciales para la detección temprana de enfermedades, así como para el desarrollo de programas de cría selectiva y tratamientos basados en HDPs, contribuyendo a prácticas acuícolas más sostenibles y a la prevención de la resistencia antimicrobiana. La integración de estos descubrimientos en la acuicultura podría mejorar la sostenibilidad y manejo de enfermedades en la dorada.

The gilthead seabream (Sparus aurata) is a species of great commercial interest in Mediterranean aquaculture, an industry that has experienced an exponential growth since the 1980s. However, this sector faces substantial challenges from infectious diseases, particularly vibriosis caused by Vibrio harveyi. These diseases threaten both trade and the health of the fish, creating significant economic losses. Climate change further exacerbates these issues by increasing the virulence of pathogens and the incidence of diseases. This doctoral thesis investigates the crucial role of host defense peptides (HDPs), specifically hepcidins and piscidins, in the immune and antimicrobial response of gilthead seabream. The research presented in this thesis aims to address these challenges by exploring the genetic and functional roles of HDPs in gilthead seabream. The primary objectives include identifying and screening novel HDP genes in the seabream genome, understanding their evolutionary history, examining their basal transcription under standard physiological conditions, and investigating their regulation in response to pathogens and non-pathogenic stimuli. The first paper delves into the expansion of hepcidin genes in gilthead seabream, identifying fifteen distinct hepcidin genes on chromosome 17. This marks the largest number of hepcidin genes found in any vertebrate. This study used genomic analysis techniques, including Hidden Markov Models, to uncover this gene cluster. Specific tissue expression profiles and transcriptional responses to bacterial challenges were found, highlighting sophisticated regulatory mechanisms. The presence of multiple hepcidin genes with diverse functions underscores the complexity and adaptability of the seabream's immune system. The second paper explores two duplicated piscidin genes, pisc1 and pisc2, revealing their distinct roles in vitro and in vivo. The pisc1 gene exhibits high expression in thymus, indicating a specialized function in adaptive immunity, while pisc2 shows variable expression in response to pathogens, emphasizing its role in innate defense. This differential expression suggests that piscidins have specialized and potentially synergistic roles in combating microbial threats. The study highlights the importance of piscidins in the seabream's immune response. The third paper investigates the immunometabolic role of hepcidin genes in iron homeostasis and pathogen defense. By inducing iron overload, the study observed significant impacts on immune responses and liver morphology, including increased vacuolization and disrupted cellular architecture. The upregulation of the hamp1 gene and the downregulation of hamp2.4 and hamp2.5 highlight the balance between iron regulation and antimicrobial defense. The fourth paper examines the modulation of hepcidin and piscidin genes in response to V. harveyi infection. Significant changes in liver morphology and differential gene expression across tissues were documented, demonstrating a dynamic immune response. The study found reduced bactericidal activity in skin mucus while maintaining serum activity, suggesting distinct immune strategies. These findings provide a comprehensive understanding of the seabream's immune response to bacterial infections, highlighting the coordinated role of hepcidins and piscidins in immune defense.

In conclusion, this doctoral thesis provides comprehensive insights into the genetic and functional diversity of HDPs in gilthead seabream. The expansion and specialized roles of hepcidin and piscidin genes underscore their importance in immune defense and iron regulation. These discoveries offer potential biomarkers for early disease detection and pathways for developing selective breeding programs and HDP-based treatments, promoting sustainable aquaculture practices. Understanding HDPs contributes to develop more effective disease management strategies. The integration of these findings into practical applications could enhance the sustainability of gilthead seabream farming and prevent antimicrobial resistance.