Analysis of day-night expression profiles of opsin genes in Japanese eel with different maturation stages under illumination with various wavelength lights

Abstract

극동산 뱀장어 Anguilla japonica는 강하성 어종으로, 대부분의 생애를 강과 하천에서 보내고 번식을 위해 바다로 이동한다. 이 회유 과정에서 뱀장어는 밤에는 수면 가까이로 유영하고, 낮에는 더 깊은 수심으로 내려가는 특이적인 행동을 보인다. 본 연구에서는 뱀장어가 성숙하면서 다양한 서식지와 빛 환경을 거쳐 어떻게 시각 메커니즘을 적응시키는지를 확인하였으며, 특히 수직 유영 이동 중 시각 옵신의 가소성에 초점을 맞추어 빛 조건, 옵신 유전자 발현 및 다양한 파장대에 의한 스트레스 반응 간의 관계를 조사하였다. 뱀장어에 존재하여 시각 인지에 기여한다고 알려진 deep-sea rhodopsin (dso), fresh water rhodopsin (fwo), short wavelength-sensitive opsin 2 (sws2), rhodopsin-like 2 (rh2)의 조직 별 발현 패턴을 확인하기 위해, 미성숙한 뱀장어의 다양한 조직에서 RT-PCR을 통해 각 옵신 유전자의 발현 유무를 확인하였다. 또한 성숙 유무에 따른 뱀장어 망막의 조직학적 차이를 확인하기 위해 미성숙 및 성숙 개체의 안구를 적출하여 망막 조직 분석에 사용하였다. 이후 다양한 광파장이 뱀장어 옵신 유전자의 발현과 스트레스 반응에 미치는 영향을 조사하기 위해 성적으로 미성숙 및 hCG에 의해 유도된 성숙한 뱀장어를 청색(462.5 nm), 녹색(507.5 nm), 암흑 및 백색광과 같은 다양한 빛 조건에 노출시킨 후, 망막 내 옵신 유전자 (fwo, dso, sws2, rh2)의 발현 패턴과 혈장 내 코티졸 농도를 분석하였다. 뱀장어의 조직 별 옵신 유전자의 발현 패턴 분석 결과, 안구에서 모든 옵신 유전자가 우점적으로 발현하였으며, 이를 통해 추후 실험은 안구를 중점으로 하여 분석을 진행하였다. 뱀장어의 망막에 대한 조직학적 관찰 결과, 성숙 유무에 따른 차이는 없었으나 망막색소상피(retinal pigment epithelium, RPE) 형태에서 일주기적 변화를 발견하였다. 낮에는 RPE과립이 광수용체층(photoreceptor layer, PRL)으로 이동하였고, 밤에는 RPE과립이 맥락막 옆으로 이동하였다. 이러한 결과는 모든 그룹에서 일관되게 나타났으며, 이는 빛의 파장이나 성숙 단계에 관계없이 일주기 메커니즘에 의해 조절된다는 것을 의미한다. 다양한 광파장에 대한 시각 옵신 유전자의 발현 패턴 분석 결과, 빛 조건과 성숙단계에 따라 옵신 유전자의 발현 패턴이 다르게 나타났다. 미성숙한 뱀장어에서는 낮 동안 청색과 녹색광 아래에서 sws2 발현이 증가했으며, 밤에는 로돕신(dso, fwo)의 발현이 암흑 조건에서 높게 나타났다. 성숙한 뱀장어에서는 백색광 조건에서 옵신 발현이 높았고, sws2 발현은 낮에도 높게 발현되어 일주기 리듬과 관련이 있음을 시사하였다. 또한, 성숙한 뱀장어의 코티졸 수치가 밤에 녹색광보다 암흑 조건에서 유의미하게 감소한 것으로 나타나, 스트레스 반응 결과 뱀장어는 어두운 환경이 코티졸 수치를 줄이는 데 가장 효과적이라는 점을 확인하였다. 본 연구는 환경 변화가 뱀장어의 생물학적 과정, 특히 빛으로 유도된 스트레스와 생리적 적응에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였고, 그 결과 뱀장어가 다양한 생태 단계와 빛 환경에 맞추어 시각 시스템을 유연하게 변화시킬 수 있음을 보여주었다. 특히 성숙한 뱀장어가 깊은 바다에서 유영하며 생존할 수 있도록 빛을 최적화하여 감지하는 능력을 확인하였다.| The Japanese eel, a catadromous species, typically inhabits rivers and streams for the majority of its life cycle before migrating to the ocean for reproduction. During this migration, the Japanese eel displays a behavior of swimming upwards during nighttime and descending to deeper waters during the daytime. It is interesting to study the molecular mechanism associated with how the Japanese eel perceives light and the resulting behavioral changes. Opsins, a class of light-sensitive G-protein-coupled receptors located in the photoreceptor cells of the retina, play a crucial role in the visual transduction cascade. The Japanese eel possesses various types of opsins for visual perception, such as deep-sea rhodopsin (dso), fresh water rhodopsin (fwo), rhodopsin-like 2 (rh2), and short wavelength-sensitive opsin 2 (sws2). This study investigated the adaptation of visual mechanisms in Japanese eels as they mature and transition through different habitats and light conditions. We focused on the plasticity of visual opsins during vertical migration and examined the relationship between light conditions, opsin gene expression, and light-induced stress responses. The presence of opsin genes expressed in various tissues of immature Japanese eels was determined using RT-PCR. Subsequently, to examine the effect of different wavelengths on opsin expression patterns, fish were exposed to different light conditions such as blue (462.5 nm), green (507.5 nm), dark, and white light. The study results revealed that the eye exhibited the highest expression levels of all opsins in the entire tissue. Expression of visual opsin genes (fwo, dso, rh2, and sws2) in Japanese eels following hCG-induced testicular development. It was found that visual opsin gene expression varies with light conditions and sexual maturity. In sexually immature eels, sws2 expression increased under blue and green light during the day, while rod opsins (dso, fwo) showed higher expression under dark conditions at night. In mature eels, opsin expression was higher under white light, and sws2 expression remained elevated during the day, suggesting a link to circadian rhythms. The research also highlighted that dark environments were most effective in reducing cortisol levels, indicating that light conditions significantly influenced eel physiology. These findings stress the need for further studies to explore how environmental changes impact eel biological processes, particularly in relation to light-induced stress and physiological adaptations.