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Epigenetic programming by prenatal stress in female serotonin transporter deficient mice

Epigenetische Programmierung durch Pränatalstress in weiblichen Serotonintransporter-defizienten Mäusen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-120270
  • Early life stress, including exposure to prenatal stress (PS), has been shown to affect the developing brain and induce severe effects on emotional health in later life, concomitant with an increased risk for psychopathology. However, some individuals are more vulnerable to early-life stress, while others adapt successfully, i.e. they are resilient and do not succumb to adversity. The molecular substrates promoting resilience in some individuals and vulnerability in other individuals are as yet poorly investigated. A polymorphism in theEarly life stress, including exposure to prenatal stress (PS), has been shown to affect the developing brain and induce severe effects on emotional health in later life, concomitant with an increased risk for psychopathology. However, some individuals are more vulnerable to early-life stress, while others adapt successfully, i.e. they are resilient and do not succumb to adversity. The molecular substrates promoting resilience in some individuals and vulnerability in other individuals are as yet poorly investigated. A polymorphism in the serotonin transporter gene (5­HTT/SLC6A4) has been suggested to play a modulatory role in mediating the effects of early-life adversity on psychopathology, thereby rendering carriers of the lower-expressing short (s)-allele more vulnerable to developmental adversity, while long (l)-allele carriers are relatively resilient. The molecular mechanisms underlying this gene x environment interaction (GxE) are not well understood, however, epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modifications have been discussed to contribute as they are at the interface of environment and the genome. Moreover, developmental epigenetic programming has also been postulated to underlie differential vulnerability/resilience independent of genetic variation. The present work comprises two projects investigating the effects of prenatal maternal restraint stress in 5-HTT deficient mice. In the first study, we examined to which extent previously observed changes in behavior and hippocampal gene expression of female 5-Htt+/- prenatally stressed (PS) offspring were associated with changes in DNA methylation patterns. Additionally, we investigated the expression of genes involved in myelination in hippocampus and amygdala of those animals using RT-qPCR. The genome-wide hippocampal DNA methylation screening was performed using methylated-DNA immunoprecipitation (MeDIP) on Affymetrix GeneChip® Mouse Promoter 1.0R arrays. In order to correlate individual gene-specific DNA methylation, mRNA expression and behavior, we used hippocampal DNA from the same mice as assessed before. 5-Htt genotype, PS and their interaction differentially affected the DNA methylation signature of numerous genes, a part of which were also differentially expressed. More specifically, we identified a differentially methylated region in the Myelin basic protein (Mbp) gene, which was associated with Mbp expression in a 5-Htt-, PS- and 5-Htt x PS-dependent manner. Subsequent fine-mapping linked the methylation status of two specific CpG sites in this region to Mbp expression and anxiety-related behavior. We furthermore found that not only the expression of Mbp but of large gene set associated with myelination was affected by a 5-Htt x PS interaction in a brain-region specific manner. In conclusion, hippocampal DNA methylation patterns and expression profiles of female PS 5-Htt+/- mice suggest that distinct molecular mechanisms, some of which are associated with changes in gene promoter methylation, and processes associated with myelination contribute to the behavioral effects of the 5-Htt genotype, PS exposure, and their interaction. In the second study, we aimed at investing the molecular substrates underlying resilience to PS. For this purpose, we exposed 5-Htt+/+ dams to the same restraint stress paradigm and investigated the effects of PS on depression- and anxiety-like behavior and corticosterone (CORT) secretion at baseline and after acute restraint stress in female 5-Htt+/+ and 5-Htt+/- offspring. We found that PS affected the offspring’s social behavior in a negative manner. When specifically examining those PS animals, we grouped the PS offspring of each genotype into a social, resilient and an unsocial, vulnerable group. While anxiety-like behavior in the EPM was reduced in unsocial, but not social, PS 5-Htt+/+ animals when compared to controls, this pattern could not be found in animals of the other genotype, indicating that social anxiety and state anxiety in the EPM were independent of each other. We then assessed genome-wide hippocampal gene expression profiles using mRNA sequencing in order to identify pathways and gene ontology (GO) terms enriched due to 5-Htt genotype (G), PS exposure (E) and their interaction (GxE) as well as enriched in social, but not unsocial, PS offspring, and vice versa. Numerous genes were affected by 5-Htt genotype, PS and most of all a GxE-interaction. Enrichment analysis using enrichr identified that the genotype affected mitochondrial respiration, while GxE-interaction-affected processes associated primarily with myelination and chromatin remodeling. We furthermore found that 5-Htt+/- mice showed profound expression changes of numerous genes in a genomic region located 10 mio kb upstream of the 5 Htt locus on the same chromosome. When looking at social vs. unsocial mice, we found that a much higher number of genes was regulated in 5 Htt+/- animals than in 5-Htt+/+ animals, reflecting the impact of GxE-interaction. Double the number of genes was regulated in social PS vs. control mice when compared to unsocial PS vs. control in both genotypes, suggesting that the successful adaption to PS might have required more active processes from the social group than the reaction to PS from the unsocial group. This notion is supported by the up-regulation of mitochondrial respiration in social, but not in unsocial, PS 5-Htt+/- mice when compared to controls, as those animals might have been able to raise energy resources the unsocial group was not. Next to this, processes associated with myelination seemed to be down-regulated in social 5-Htt+/- mice, but not in unsocial animals, when compared to controls. Taken together, PS exposure affected sociability and anxiety-like behavior dependent on the 5-Htt genotype in female offspring. Processes associated with myelination and epigenetic mechanisms involved in chromatin remodeling seemed be affected in a GxE-dependent manner in the hippocampus of these offspring. Our transcriptome data furthermore suggest that mitochondrial respiration and, with this, energy metabolism might be altered in 5-Htt+/- offspring when compared to 5-Htt+/+ offspring. Moreover, myelination and mitochondrial respiration might contribute to resilience towards PS exposure in 5-Htt+/- offspring, possibly by affecting brain connectivity and energy capabilities.show moreshow less
  • Frühes Stresserleben wie zum Beispiel in Form von pränatalem Stress (PS) kann sich auf die Entwicklung des Gehirns auswirken und einen gravierenden Einfluss auf die emotionale Gesundheit im Erwachsenenaltern ausüben, was mit einem erhöhten Risiko für eine Psychopathologie einhergeht. Manche Individuen sind jedoch frühem Stresserleben gegenüber vulnerabler, während andere Individuen sich erfolgreich anpassen, d.h. resilient sind, und widrigen Umständen nicht erliegen. Die molekularen Substrate, die Resilienz in manchen und Vulnerabilität inFrühes Stresserleben wie zum Beispiel in Form von pränatalem Stress (PS) kann sich auf die Entwicklung des Gehirns auswirken und einen gravierenden Einfluss auf die emotionale Gesundheit im Erwachsenenaltern ausüben, was mit einem erhöhten Risiko für eine Psychopathologie einhergeht. Manche Individuen sind jedoch frühem Stresserleben gegenüber vulnerabler, während andere Individuen sich erfolgreich anpassen, d.h. resilient sind, und widrigen Umständen nicht erliegen. Die molekularen Substrate, die Resilienz in manchen und Vulnerabilität in anderen Individuen bedingen, sind bisher nur unzureichend erforscht. Ein Polymorphismus im Serotonintransportergen (5-HTT/SLC6A4) soll eine modulierende Rolle in der Vermittlung der Effekte von frühem Stresserleben auf die Entwicklung einer Psychopathologie spielen, wobei Träger des niedrig-exprimierenden kurzen (s-) Allels empfänglicher gegenüber Stresserlebnissen während der Entwicklung sind, während Träger des langen (l-) Allels als resilienter gelten. Die molekularen Mechanismen, die dieser Gen-Umwelt-Interaktion zu Grunde liegen, sind noch nicht aufgeklärt. Epigenetische Mechanismen wie DNA-Methylierung und Histonmodifikationen könnten jedoch dazu beitragen, da sie an der Schnittfläche zwischen Genom und Umwelt liegen. Des Weiteren wird vermutet, dass epigenetische Programmierung während der Entwicklung unabhängig von genetischer Varianz zur Ausbildung von Resilienz bzw. Vulnerabilität beiträgt. Die vorliegende Arbeit umfasst zwei Projekte, in denen die Auswirkungen von pränatalem „maternal restraint“ Stress in 5-HTT defizienten Mäusen behandelt werden. In der ersten Studie wurde untersucht, in ob und in welchem Maß zuvor beobachtete Veränderungen im Verhalten und in der hippocampalen Genexpression in weiblichen PS Mäusen mit Veränderungen in DNA-Methylierungsmustern einhergingen. Des Weiteren untersuchten wir mittels RT-qPCR die Expression von Genen, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, im Hippocampus und in der Amygdala dieser Tiere. Ein genomweites hippocampales DNA-Methylierungsscreening wurde durchgeführt indem methylierte DNA mit Hilfe der Methyl-DNA-Immunoprezipitation angereichert und auf Affymetrix GeneChip® Mouse Promoter 1.0R Arrays aufgetragen wurde. Um individuelle genspezifische DNA-Methylierung, mRNA-Expression und Verhalten miteinander korrelieren zu können, wurde hippocampale DNA derselben Mäuse, die zuvor getestet wurden, dafür eingesetzt. Der 5-Htt Genotyp, PS und ihre Interaktion veränderten die DNA-Methylierung von zahlreichen Genen, wovon ein Teil auch differentiell exprimiert war. Um genau zu sein, identifizierten wir eine differentiell methylierte Region im Myelin basic protein (Mbp) Gen, was mit Mbp Expressionsveränderungen auf Grund eines 5-Htt-, PS und eines 5-Htt x PS-Effekts einherging war. Eine anschließende genauere Untersuchung dieser Region zeigte eine Assoziation zwischen dem Methylierungsstatus zweier spezifischer CpG-Stellen mit der Mbp Expression und Angst-ähnlichem Verhalten. Es zeigte sich weiterhin, dass nicht nur die Expression von Mbp sondern eines ganzes Satzes an Genen, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, durch eine 5-Htt x PS-Interaktion in einer Gehirnregionen-spezifischen Weise verändert war. Zusammenfassend weisen die hippocampalen DNA-Methylierungsmuster und Genexpressionprofile der weiblichen PS 5-Htt+/- Mäuse darauf hin, dass eindeutige molekulare Mechanismen, wovon einige mit Veränderungen in der Promotermethylierung einhergingen, und Prozesse, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, zu den Verhaltenseffekten des 5-Htt Genotyps, PS-Exposition und ihrer Interaktion beitragen. Die zweite Studie hatte zum Ziel, molekulare Substrate, die einer Resilienz gegenüber PS zu Grunde liegen, zu erforschen. Zu diesem Zweck wandten wir das gleiche „restrainst stress“ Paradigma wie zuvor auf schwangere 5-Htt+/+ Weibchen an und untersuchten die PS-Effekte auf Depressions- und Angst-ähnliches Verhalten sowie auf die Corticosteronausschüttung im Grundzustand und nach akutem „restraint stress“ im weiblichen 5-Htt+/+ und 5-Htt+/- Nachwuchs. Wir stellten fest, dass sich PS negativ auf das Sozialverhalten auswirkte. Als wir die PS Tiere genauer untersuchten, teilten wir den PS Nachwuchs jeden Genotyps in je eine soziale, resiliente und eine unsoziale, vulnerable Gruppe ein. Während das Angst-ähnliche Verhalten im EPM in unsozialen, aber nicht sozialen, 5-Htt+/+ PS Tieren im Vergleich zu Kontrolltieren verringert war, konnte man diesen Effekt im anderen untersuchten Genotyp nicht finden, was darauf hinweist, dass soziale Ängstlichkeit und die sogenannte „state anxiety“, wie in potentiell angsteinflößenden Situationen zu Tage tritt, unabhängig voneinander funktionierende Prozesse sind. Wir erstellten anschließend mittels mRNA-Sequenzierung genomweite hippocampale Genexpressionsprofile um Netzwerke und Gene Ontology (GO) Terms zu identifizieren, die auf Grund des 5-Htt Genotyps (G), der PS-Exposition (E) oder einer Interaktion (GxE) sowie in sozialem, aber nicht in unsozialem, PS Nachwuchs und umgekehrt angereichert waren. Die Expression zahlreicher Gene war durch den 5-Htt Genotyp, der PS-Exposition und vor allem einer GxE-Interaktion verändert. Durch eine Anreicherungsanalyse mittels enrichr stellten wir fest, dass die mitochondriale Atmungskette vom Genotyp beeinflusst wurde, wohingegen sich die GxE-Interaktion vor allem auf Prozesse, die mit Myelinisierung und Chromatinumgestaltung in Verbindung standen, auswirkte. Darüber hinaus fanden wir in 5-Htt+/- Mäusen höchst signifikante Expressionsveränderungen zahlreicher Gene, die in einer genomischen Region 10 mio kb in 5‘ Richtung des 5-Htt Lokus auf dem gleichen Chromosom lagen. Als wir soziale und unsoziale PS Mäuse verglichen, zeigte sich, dass eine deutlich höhere Anzahl an Genen in 5-Htt+/- Mäusen als in 5-Htt+/+ Mäusen reguliert war, was die Auswirkungen der GxE-Interaktion widerspiegelt. In beiden Genotypen war die doppelte Anzahl an Genen in sozialen PS vs. Kontroll-Tieren im Vergleich zu unsozialen PS vs. Kontroll-Tieren verändert, was darauf hinweist, dass eine erfolgreiche Anpassung an PS den sozialen Tieren möglicherweise mehr aktive Prozesse abverlangte als die Reaktion auf PS in der unsozialen Gruppe. Diese Vorstellung wird durch eine Steigerung der mitochondrialen Atmungskette auf mRNA-Ebene in sozialen, aber nicht in unsozialen, 5-Htt+/- Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen unterstützt, da diese Tiere in der Lage gewesen sein könnten, Energieressourcen zu mobilisieren, die den unsozialen Tieren nicht zur Verfügung standen. Des Weiteren schienen Prozesse, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, in sozialen, aber nicht in unsozialen, PS 5-Htt+/- Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen herunterreguliert zu sein. Zusammengefasst wirkte sich die PS-Exposition auf das Sozial- und Angst-ähnliche Verhalten abhängig vom 5-Htt Genotyp im weiblichen Nachwuchs aus. Prozesse, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, und epigenetische Mechanismen, die in der Chromatinumgestaltung beteiligt sind, schienen von einer GxE-Interaktion im Hippocampus dieser Tiere beeinflusst zu sein. Unsere Transkriptomdaten gaben des weiteren Hinweise darauf, dass die mitochondriale Atmungskette, und damit vermutlich auch der Energiemetabolismus, in 5-Htt+/- Tieren im Vergleich zu 5-Htt+/+ Tieren verändert sein könnte. Ferner könnten Veränderungen in der Myelinisierung sowie in der mitochondrialen Atmungskette zur Resilienzentwicklung gegenüber PS in 5-Htt+/- Mäusen beitragen, möglicherweise durch Veränderungen in der Gehirnkonnektivität und in den zu mobilisierenden Energieressourcen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Karla-Gerlinde Schraut
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-120270
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Referee:Prof. Dr. Klaus-Peter Lesch
Date of final exam:2015/09/08
Language:English
Year of Completion:2015
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 573 Einzelne physiologische Systeme bei Tieren
GND Keyword:Stress; Serotonin; Pränatale Entwicklung; Maus; Epigenetik
Tag:Depression; Hippocampus
DNA methylation; Epigenetic
Release Date:2016/09/09
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitung