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Male aging and obesity effects on sperm methylome and consequences for the next generation

Alters- und Adipositas-Effekte auf das Spermien-Methylom und die Konsequenzen für die nächste Generation

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-165481
  • Besides a growing tendency for delayed parenthood, sedentary lifestyle coupled with overnutrition has dramatically increased worldwide over the last few decades. Epigenetic mechanisms can help us understand the epidemics and heritability of complex traits like obesity to a significant extent. Majority of the research till now has focused on determining the impact of maternal factors on health and disease risk in the offspring(s). This doctoral thesis is focused on deciphering the potential effects of male aging and obesity on spermBesides a growing tendency for delayed parenthood, sedentary lifestyle coupled with overnutrition has dramatically increased worldwide over the last few decades. Epigenetic mechanisms can help us understand the epidemics and heritability of complex traits like obesity to a significant extent. Majority of the research till now has focused on determining the impact of maternal factors on health and disease risk in the offspring(s). This doctoral thesis is focused on deciphering the potential effects of male aging and obesity on sperm methylome, and consequences/transmission via germline to the next generation. In humans, this was assessed in a unique cohort of ~300 sperm samples, collected after in vitro fertilization/intracytoplasmic sperm injection, as well as in conceived fetal cord blood samples of the children. Furthermore, aging effect on sperm samples derived from a bovine cohort was analyzed. The study identified that human male aging significantly increased the DNA methylation levels of the promoter, the upstream core element, the 18S, and the 28S regions of ribosomal DNA (rDNA) in sperm. Prediction models were developed to anticipate an individual’s age based on the methylation status of rDNA regions in his sperm. Hypermethylation of alpha satellite and LINE1 repeats in human sperm was also observed with aging. Epimutations, which are aberrantly methylated CpG sites, were significantly higher in sperm of older males compared to the younger ones. These effects on the male germline had a negative impact on embryo quality of the next generation. Consistent with these results, DNA methylation of rDNA regions, bovine alpha satellite, and testis satellite repeats displayed a significant positive correlation with aging sperm samples within the same individual and across different age-grouped bulls. A positive association between human male obesity/body mass index (BMI) and DNA methylation of the imprinted MEG3 gene and the obesity-related HIF3A gene was detected in sperm. These BMI-induced sperm DNA methylation signatures were transmitted to next generation fetal cord blood (FCB) samples in a gender-specific manner. Males, but not female offsprings exhibited a significant positive correlation between father’s BMI and FCB DNA methylation in the two above-mentioned amplicons. Additionally, hypomethylation of IGF2 with increased paternal BMI was observed in female FCB samples. Parental allele-specific in-depth methylation analysis of imprinted genes using next generation sequencing technology also revealed significant correlations between paternal factors like age and BMI, and the corresponding father’s allele DNA methylation in FCB samples. Deep bisulphite sequencing of imprinted genes in diploid somatic cord blood cells of offspring detected that the levels of DNA methylation signatures largely depended on the underlying genetic variant, i.e. sequence haplotypes. Allele-specific epimutations were observed in PEG1, PEG5, MEG3, H19, and IGF2 amplicons. For the former three genes, the non-imprinted unmethylated allele displayed more epimutations than the imprinted methylated allele. On the other hand, for the latter two genes, the imprinted allele exhibited higher epimutation rate than that of the non-imprinted allele. In summary, the present study proved that male aging and obesity impacts the DNA methylome of repetitive elements and imprinted genes respectively in sperm, and also has considerable consequences on the next generation. Nevertheless, longitudinal follow-up studies are highly encouraged to elucidate if these effects can influence the risk of developing abnormal phenotype in the offspring during adulthood.show moreshow less
  • Weltweit kann ein Trend zur späteren Elternschaft sowie die dramatische Zunahme eines bewegungsarmen Lebensstils in Kombination mit einer Überernährung beobachtet werden. Die Verbreitung sowie die Vererbung derartig komplexer Merkmale oder Erkrankungen lassen sich oftmals unter Berücksichtigung epigenetischer Mechanismen besser verstehen. Vorangegangene Studien untersuchten hierbei jedoch primär den Einfluss maternaler Faktoren auf die Gesundheit und das Krankheitsrisiko der nächsten Generation. Diese Doktorarbeit hat das Ziel potentielleWeltweit kann ein Trend zur späteren Elternschaft sowie die dramatische Zunahme eines bewegungsarmen Lebensstils in Kombination mit einer Überernährung beobachtet werden. Die Verbreitung sowie die Vererbung derartig komplexer Merkmale oder Erkrankungen lassen sich oftmals unter Berücksichtigung epigenetischer Mechanismen besser verstehen. Vorangegangene Studien untersuchten hierbei jedoch primär den Einfluss maternaler Faktoren auf die Gesundheit und das Krankheitsrisiko der nächsten Generation. Diese Doktorarbeit hat das Ziel potentielle Altersinduzierte sowie Adipositas-bedingte Effekte auf das Methylom von Spermien sowie die damit einhergehenden Konsequenzen für die nächste Generation zu identifizieren. Hierfür stand eine humane Kohorte bestehend aus ~300 Spermienproben, welche nach einer in vitro Fertilisation bzw. Intrazytoplasmatischen Spermieninjektion gesammelt wurden, und das entsprechende Nabelschnurblut der mit Hilfe dieser Behandlungen gezeugten Kinder zur Verfügung. Ergänzend dazu wurde der Alterseffekt in bovinen Spermienproben analysiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine signifikante Korrelation des männlichen Alterungsprozesses mit einer erhöhten DNA-Methylierung der ribosomalen DNA (rDNA) in der Promotorregion, dem strangaufwärts gelegenen Promotorelement (Upstream Core Element), der 18S- sowie der 28S-Region von Keimzellen aufgezeigt werden. Hierauf basierend wurde ein Vorhersageprogramm entwickelt, welches es ermöglicht anhand des Methylierungslevels der rDNA in den Spermien das Alter des entsprechenden Mannes zu berechnen. Weiterhin konnte beobachtet werden, dass mit dem Alterungsprozess in Spermien eine Hypermethylierung der Long Interspersed Nuclear Elements (LINE-1) und der Alpha-Satelliten-DNA einhergeht. Des Weiteren zeigte der Vergleich von Spermien alter und junger Männer auf, dass Epimutationen, welche als fehlerhaft methylierte CpG-Stellen definiert werden, signifikant häufiger in Spermien alter Männer detektierbar sind. Allgemein zeigte sich zudem, dass diese altersabhängigen Effekte auf die Keimzellen sich negativ auf die Qualität der Embryonen auswirken. Übereinstimmend mit diesen Ergebnissen konnte auch in Spermien von Rindern dieser Alterseffekt nachgewiesen werden. Es zeigte sich mit zunehmendem Alter eine signifikant erhöhte Methylierung der rDNA-Regionen und der Alpha-/ Testis-Satelliten-DNAs sowohl innerhalb eines Individuums, als auch zwischen verschiedenen altersgruppierten Individuen. Weiterhin konnte eine positive Korrelation des Body-Mass-Index (engl. body mass index; kurz: BMI) eines Mannes und der Methylierung in MEG3 und HIF3A in dessen Spermien detektiert werden. Anhand der untersuchten Nabelschnurblute konnte aufgezeigt werden, dass diese BMI-induzierten Methylierungsveränderungen in einem geschlechter-spezifischen Kontext an die nächste Generation weitergegeben werden. So war ausschließlich bei männlichen Nachkommen eine signifikant positive Assoziation des väterlichen BMIs und der DNA-Methylierung dieser beiden Gene im Nabelschnurblut nachweisbar. Eine mit dem väterlichen BMI einhergehende Hypomethylierung des Gens IGF2 war hingegen ausschließlich in den Nabelschnurblut-Proben weiblicher Nachkommen messbar. Die Auftrennung der Allele nach ihrer parentalen Herkunft, zeigte eine signifikante Korrelation zwischen den paternalen Faktoren, wie Alter und BMI, und dem Methylierungslevel des korrespondierenden paternalen Allels im Nabelschnurblut. Mit Hilfe der Deep Bisulfite Sequenzierung diploider Zellen aus dem Nabelschnurblut der Nachkommen wurde die DNA-Methylierung geprägte Gene untersucht. Hierbei konnte aufgezeigt werden, dass das Methylierungslevel stark von der zu Grunde liegenden genetischen Variante (Haplotyp) abhängt. Allel-spezifische Epimutationen wurden in den untersuchten Amplikons der Gene PEG1, PEG5, MEG3, H19 und IGF2 nachgewiesen. Bei PEG1, PEG5 und MEG3 waren mehr Epimutationen der nicht-geprägten unmethylierten Allele, als der geprägten methylierten Allele detektierbar. Konträr hierzu war bei den Genen H19 und IGF2 eine erhöhte Epimutationsrate der geprägten und somit methylierten Allele nachweisbar. Diese Doktorarbeit offenbart altersinduzierte sowie Adipositas-bedingte Einflüsse auf die DNA-Methylierung repetitiver Elemente und geprägter Gene in männlichen Keimzellen, sowie damit einhergehende potentielle Konsequenzen für die nächste Generation. Um schlussendlich jedoch eine Aussage treffen zu können, ob aufgrund dieser Effekte eine erhöhte Prädisposition der nächsten Generation zur Entwicklung anormaler Phänotypen besteht, müssen longitudinale Folgestudien durchgeführt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ramya Sri Krishna Potabattula
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-165481
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Fakultät für Biologie
Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Referee:Prof. Dr. Thomas Haaf
Date of final exam:2018/07/19
Language:English
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-16548
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Tag:Paternal age and BMI effects
Release Date:2019/07/19
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