Rainbow trout are an important salmonid species whose poor utilization of dietary carbohydrates spurred research investigating molecular and physiological components of its glucoregulation. Among the environmental factors described to exert robust changes in glucose metabolism in rainbow trout, nutrition and social stress are among the most studied: Diets exceeding 20% of carbohydrates and chronic social stress induce hyperglycemia in adult and juvenile rainbow trout, respectively. Common to both responses is a contribution of hepatic de novo gluconeogenesis, which has been described to evade repression in response to high dietary carbohydrate content and to be stimulated in subordinate rainbow trout. Compared to previous studies investigating the regulation of hepatic gluconeogenesis at the molecular level, the recent publication of the annotated rainbow trout genome has opened novel possibilities to investigate paralogue-specific and posttranscriptional regulation of gluconeogenesis. In this thesis, I identify and describe the regulation of the novel phosphoenolpyruvate carboxykinase paralogue pck2b in rainbow trout and identify specific miRNA candidates predicted to contribute to gene paralogue-specific regulation of gluconeogenesis in nutritional and social contexts using small RNA next generation sequencing, real-time RT-PCR and in silico target prediction approaches. In nutritional and social status experiments, in silico predicted targets of differentially expressed hepatic miRNAs are enriched for gluconeogenesis regulation, suggesting a posttranscriptional component in regulating gluconeogenic transcript abundance. Differentially expressed hepatic miRNAs in both experiments comprise evolutionarily conserved and teleost-specific miRNAs, and are indicative of both environmental factor-specific and common regulation of gluconeogenesis transcripts in rainbow trout liver. Together this work provides novel comparative insight into hepatic miRNA-dependent glucoregulation and identifies several specific candidate miRNAs for future functional validation in hepatic glucoregulation in rainbow trout.

Der Karpfen, Cyprinus carpio, ist eine tetraploide Fischart aus der Familie Cyprinidae, die vor 20-50 Mio Jahren entstanden ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war der Versuch, die funktionelle Rolle der duplizierten GH Gene des Karpfens durch das Studium ihrer Struktur, Evolution und Expression zu verstehen. Die Introns des zweiten GH Gens des Karpfens wurden erstmalig sequenziert und Sequenzvergleiche der kodierenden und nicht-kodierenden Bereiche von Allelen beider GH Gene wurden vorgenommen. Eine phylogenetische Analyse wurde durchgefuhrt, um die Beziehungen der GH Gene des Karpfens zu denen des tetraploiden Goldfischs und anderer diploider Cypriniden zu untersuchen. Zusatzlich wurden weitere duplizierte Gene des Karpfens, von denen einige auch fur das Wachstum von Bedeutung sind, phylogenetisch analysiert. Der Test der relativen Evolutionsrate nach Tajima (1993) zeigte einen statistisch signifikanten Anstieg der Evolutionsrate des GH I Gens beim Karpfen. Es wurden in der vorliegenden Arbeit einige weitere duplizierte Genpaare des Karpfens und Goldfischs gefunden, die ebenfalls eine Lockerung funktioneller Zwange oder sogar Beweise fur positive Darwin?sche Selektion bei einem der beiden Duplikate zeigen. Der Expressionstest hat gezeigt, dass die GH I und GH II Gene auf identischen Niveaus bei Karpfenbrut exprimiert werden, wahrend bei ein Jahr alten Karpfen, drei Jahre alten Mannchen und Weibchen sowie den 10 Monate alten, an kalte Temperaturen (2°C) angepassten Fischen die Expression von GH II statistisch signifikant geringer war als die von GH I. Es wurde eine neue und einfache Methode zur Herstellung von rekombinanten, biologisch aktiven GH-Proteinen ohne Notwendigkeit des Refolding entwickelt. Sie ermoglicht spatere Tests, ob die Aktivitat von unterschiedlichen GH-Varianten des Karpfens gleich oder unterschiedlich ist. / The common carp, Cyprinus carpio, is a tetraploid fish species from the family Cyprinidae that arose about 20-50 Myr ago. The aim of the present work was attempting to understand the functional role of the duplicated common carp GH genes by studying their structure, evolution and expression. The introns of the second GH gene of common carp were sequenced for the first time and sequence comparisons of coding and non-coding regions of alleles of both GH genes were carried out. A phylogenetic analysis was done to examine the relationships of common carp GH genes with GH genes of the tetraploid goldfish and other diploid Cyprinids. In addition, phylogenetic analyses were done with other duplicated genes of common carp, some of which also important for growth. The relative rate test of Tajima (1993) showed a statistically significant increase in the evolution rate of the common carp GH I gene. In addition, some other duplicated gene pairs in common carp and goldfish with relaxation of functional constraints or even evidence of positive Darwinian selection in one of the two gene duplicates were found in the present study. The test of expression rates of the two GH genes has shown that the GH I and GH II genes were expressed at similar levels in carp fry. In contrast, the expression of GH II was statistically significantly lower than that of GH I in one year old carp, three years old males and females as well as in 10 months old fish adapted to cold temperature (2°C). To enable testing the hypothesis if activity of GH diverged between different GH variants of common carp a new and simple method for production of recombinant, biologically active GH proteins without the necessity of refolding was developed.

La truite arc-en-ciel carnivore (Oncorhynchus mykiss) est considérée comme une espèce pauvre utilisatrice de glucides alimentaires. Des études récentes ont montré qu'une hypométhylation globale de l'ADN hépatique induite par un régime alimentaire riche en glucides et pauvre en protéines pourrait être impliquée dans l'établissement / le maintien du de ce phénotype chez la truite, mais le détail des mécanismes sous-jacents reste inconnu. La thèse vise à étudier les mécanismes épigénétiques sous-jacents à ce phénotype de faible utilisation des glucides alimentaire chez la truite et à examiner si le métabolisme du glucose et l’épigénome chez les juvéniles peuvent être programmés par un stimulus hypoxique précoce. Nous avons d’abord identifié tous les gènes paralogues liés aux voies de méthylation / déméthylation de l’ADN (dnmt, tet et tdg) dans le génome de la truite, clarifié leurs histoires évolutives et analysé leurs profils d’expression au cours de la gamétogenèse et de l’embryogenèse chez la truite. Nous avons ensuite étudiés plus en détail les processus et les mécanismes potentiellement à l’origine de l'hypométhylation de l'ADN hépatique global constatée chez la truite après un régime riche en glucides et pauvre en protéines. Les résultats ont montré pour la première fois qu'une diminution du taux deprotéines et une augmentation du taux de glucides dans l’aliment induisent de manière indépendante et en interaction une hypométhylation hépatique globale chez la truite, qui semble établie par le biais d'une voie de déméthylation active. Nous avons également constaté qu’une forte hyperglycémie induite par une injection de glucose induit une hypométhylation globale de l’ADN au niveau des sites CmCGG dans le foie de la truite. Les mécanismes détaillés de ces processus de déméthylation restent à élucider. Enfin, grâce à la stratégie de programmation métabolique, nous avons pour la première fois confirmé que l’utilisation d’un stimulus non nutritionnel au début de la vie, l’hypoxie, pouvait moduler de façon persistante la transcription des gènes liés au métabolisme du glucose chez la truite juvénile sans nuire aux performances de croissance. De plus, selon sa nature chronique ou aigue, l’hypoxie, a tendance à induire des effets de programmation opposés sur les gènes codants pour les transporteurs au glucose notamment dans le foie et le muscle de la truite juvénile. Dans son ensemble, la thèse met en avant notre compréhension du rôle du méthylome dans la contribution à la faible capacité d'utilisation des glucides alimentaires chez la truiteLa thèse met aussi en lumière le potentiel d'utilisation de l'hypoxie comme stimulus pour programmer le métabolisme du glucose, l'épigénome et l'utilisation des glucides alimentaires chez la truite arc-en-ciel. / The carnivorous rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) is considered as a poor user of dietary carbohydrates. Recent studies showed that a high-carbohydrate/low protein diet inducing hepatic global DNA hypomethylation could be involved in the establishment/maintenance of the poor dietary carbohydrates utilisation phenotype in trout, but the detail mechanisms remain unclear. The present thesis aimed at investigating the epigenetic mechanisms underlying this poor dietary carbohydrate utilisation phenotype in trout, and exploring if the glucose metabolism and the epigenome in juveniles can be programmed through a hypoxic stimulus during early life. We first identified all the paralogous genes related to DNA methylation/demethylation pathways (dnmt, tet and tdg) in trout genome, clarified their molecular evolution histories and monitored their transcriptional expression patterns during gametogenesis and embryogenesis in trout. Besides, we investigate further the causes, processes and potential mechanisms about the hepatic global DNA hypomethylation in trout after feeding a high carbohydrate/low protein diet. Results for the first time demonstrated that a decrease in protein content and an increase in carbohydrate content in the diet can independently as well as interactively induce hepatic global hypomethylation in trout. This global loss of methylation is probably established through an active demethylation pathway. We also found that a strong hyperglycaemia induced by glucose injection induces global CmCGG hypomethylation in the liver of trout. The detailed mechanisms of these demethylation processes remain to be elucidated. Finally, through metabolic programming strategy, we confirmed for the first time that using a non-nutritional stimulus, hypoxia, during early life stage persistently modulates the transcription of glucose metabolism-related genes in juvenile trout without negative effects on growth performance. Moreover, acute and chronic hypoxia tended to induce opposite programming effects on glucose-transporter encoding genes in both liver and muscle of juvenile trout. Together, the present thesis brings forward our understandings about the roles of epigenetics in contributing to the low ability to use dietary carbohydrates in trout, and sheds light on the potential of using hypoxia as the stimulus in metabolic programming strategy to tailor the glucose metabolism, the epigenome and dietary carbohydrate utilisation in rainbow trout.