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Recently, a genome-wide analysis identified DNA methylation of the HIF3A (hypoxia-inducible factor 3A) as strongest correlate of BMI. Here we tested the hypothesis that HIF3A mRNA expression and CpG-sites methylation in adipose tissue (AT) and genetic variants in HIF3A are related to parameters of AT distribution and function. In paired samples of subcutaneous AT (SAT) and visceral AT (VAT) from 603 individuals, we measured HIF3A mRNA expression and analyzed its correlation with obesity and related traits. In subgroups of individuals, we investigated the effects on HIF3A genetic variants on its AT expression (N = 603) and methylation of CpG-sites (N = 87). HIF3A expression was significantly higher in SAT compared to VAT and correlated with obesity and parameters of AT dysfunction (including CRP and leucocytes count). HIF3A methylation at cg22891070 was significantly higher in VAT compared to SAT and correlated with BMI, abdominal SAT and VAT area. Rs8102595 showed a nominal significant association with AT HIF3A methylation levels as well as with obesity and fat distribution. HIF3A expression and methylation in AT are fat depot specific, related to obesity and AT dysfunction. Our data support the hypothesis that HIF pathways may play an important role in the development of AT dysfunction in obesity.
Epigenetic alterations may contribute to the generation of cancer cells in a multi-step process of tumorigenesis following irradiation of normal body cells. Primary human fibroblasts with intact cell cycle checkpoints were used as a model to test whether X-ray irradiation with 2 and 4 Gray induces direct epigenetic effects (within the first cell cycle) in the exposed cells. ELISA-based fluorometric assays were consistent with slightly reduced global DNA methylation and hydroxymethylation, however the observed between-group differences were usually not significant. Similarly, bisulfite pyrosequencing of interspersed LINE-1 repeats and centromeric α-satellite DNA did not detect significant methylation differences between irradiated and non-irradiated cultures. Methylation of interspersed ALU repeats appeared to be slightly increased (one percentage point; p = 0.01) at 6 h after irradiation with 4 Gy. Single-cell analysis showed comparable variations in repeat methylation among individual cells in both irradiated and control cultures. Radiation-induced changes in global repeat methylation, if any, were much smaller than methylation variation between different fibroblast strains. Interestingly, α-satellite DNA methylation positively correlated with gestational age. Finally, 450K methylation arrays mainly targeting genes and CpG islands were used for global DNA methylation analysis. There were no detectable methylation differences in genic (promoter, 5' UTR, first exon, gene body, 3' UTR) and intergenic regions between irradiated and control fibroblast cultures. Although we cannot exclude minor effects, i.e. on individual CpG sites, collectively our data suggest that global DNA methylation remains rather stable in irradiated normal body cells in the early phase of DNA damage response.
Altersassoziierte und strahleninduzierte Veränderungen des genomweiten DNA-Methylierungs-Profils
(2018)
Der Prozess des Alterns ist ein komplexer multifaktorieller Vorgang, der durch eine sukzessive Verschlechterung der physiologischen Funktionen charakterisiert ist. Ein hohes Alter ist der Hauptrisikofaktor für die meisten Krankheiten, einschließlich Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Das Verständnis der epigenetischen Mechanismen, die in den Prozess des Alterns involviert sind, könnte zur Entwicklung pharmakologischer Interventionen beitragen, die nicht nur die Lebenserwartung erhöhen, sondern auch den Beginn des altersassoziierten funktionellen Abbaus verzögern könnten. Durch die Langzeit-Kultivierung primärer humaner Fibroblasten wurde ein in vitro Modell für das Altern etabliert, das die Identifizierung altersassoziierter DNA-Methylierungs-Veränderungen ermöglichte. Die in vitro Alterung konnte mit einer globalen Hypomethylierung und einer erhöhten DNA-Methylierung der ribosomalen DNA assoziiert werden. Darüber hinaus konnten DNA-Methylierungs-Veränderungen in Genen und Signalwegen, die für das Altern relevant sind, und ein erhöhtes epigenetisches Alter nachgewiesen werden.
Das in vitro Modell für das Altern wurde verwendet, um neben den direkten Effekten ionisierender Strahlung auf die DNA-Methylierung auch deren Langzeit-Effekte zu untersuchen. Die Strahlentherapie ist ein entscheidendes Element der Krebstherapie, hat aber auch negative Auswirkungen und kann unter anderem das Risiko für die Entwicklung eines Zweittumors erhöhen. Bei externer Bestrahlung wird neben dem Tumor auch gesundes Gewebe ionisierender Strahlung ausgesetzt. Daher ist es wichtig zu untersuchen, wie Zellen mit intakten DNA-Reparatur-Mechanismen und funktionierenden Zellzyklus-Checkpoints durch diese beeinflusst werden. In der frühen Phase der DNA-Schadensantwort auf Bestrahlung wurden in normalen Zellen keine wesentlichen DNA-Methylierungs-Veränderungen beobachtet. Mehrere Populations-Verdoppelungen nach Strahlenexposition konnten dagegen eine globale Hypomethylierung, eine erhöhte DNA-Methylierung der ribosomalen DNA und ein erhöhtes epigenetisches Alter detektiert werden. Des Weiteren zeigten Gene und Signalwege, die mit Krebs in Verbindung gebracht wurden, Veränderungen in der DNA-Methylierung. Als Langzeit-Effekte ionisierender Strahlung traten somit die mit der in vitro Alterung assoziierten DNA-Methylierungs-Veränderungen verstärkt auf und ein epigenetisches Muster, das stark an das DNA-Methylierungs-Profil von Tumorzellen erinnert, entstand. Man geht davon aus, dass Veränderungen der DNA-Methylierung eine aktive Rolle in der Entwicklung eines Tumors spielen. Die durch ionisierende Strahlung induzierten DNA-Methylierungs-Veränderungen in normalen Zellen könnten demnach in die Krebsentstehung nach Strahlenexposition involviert sein und zu dem sekundären Krebsrisiko nach Strahlentherapie beitragen. Es ist bekannt, dass Patienten unterschiedlich auf therapeutische Bestrahlung reagieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass die individuelle Sensitivität gegenüber ionisierender Strahlung auch auf epigenetischer Ebene beobachtet werden kann.
In einem zweiten Projekt wurden Gesamtblutproben von Patienten mit Werner-Syndrom, einer segmental progeroiden Erkrankung, und gesunden Kontrollen analysiert, um mit dem vorzeitigen Altern in Verbindung stehende DNA-Methylierungs-Veränderungen zu identifizieren. Werner-Syndrom konnte nicht mit einer globalen Hypomethylierung, jedoch mit einer erhöhten DNA-Methylierung der ribosomalen DNA und einem erhöhten epigenetischen Alter assoziiert werden. Das vorzeitige Altern geht demzufolge mit spezifischen epigenetischen Veränderungen einher, die eine Beschleunigung der mit dem normalen Altern auftretenden DNA-Methylierungs-Veränderungen darstellen.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Bedeutung epigenetischer Mechanismen im Prozess des Alterns hervorgehoben werden und gezeigt werden, dass sowohl exogene Faktoren, wie ionisierende Strahlung, als auch endogene Faktoren, wie das in Werner-Syndrom-Patienten mutiert vorliegende WRN-Gen, altersassoziierte DNA-Methylierungs-Veränderungen beeinflussen können.
To study delayed genetic and epigenetic radiation effects, which may trigger radiation-induced carcinogenesis, we have established single-cell clones from irradiated and non-irradiated primary human fibroblasts. Stable clones were endowed with the same karyotype in all analyzed metaphases after 20 population doublings (PDs), whereas unstable clones displayed mosaics of normal and abnormal karyotypes. To account for variation in radiation sensitivity, all experiments were performed with two different fibroblast strains. After a single X-ray dose of 2 Gy more than half of the irradiated clones exhibited radiation-induced genome instability (RIGI). Irradiated clones displayed an increased rate of loss of chromosome Y (LOY) and copy number variations (CNVs), compared to controls. CNV breakpoints clustered in specific chromosome regions, in particular 3p14.2 and 7q11.21, coinciding with common fragile sites. CNVs affecting the FHIT gene in FRA3B were observed in independent unstable clones and may drive RIGI. Bisulfite pyrosequencing of control clones and the respective primary culture revealed global hypomethylation of ALU, LINE-1, and alpha-satellite repeats as well as rDNA hypermethylation during in vitro ageing. Irradiated clones showed further reduced ALU and alpha-satellite methylation and increased rDNA methylation, compared to controls. Methylation arrays identified several hundred differentially methylated genes and several enriched pathways associated with in vitro ageing. Methylation changes in 259 genes and the MAP kinase signaling pathway were associated with delayed radiation effects (after 20 PDs). Collectively, our results suggest that both genetic (LOY and CNVs) and epigenetic changes occur in the progeny of exposed cells that were not damaged directly by irradiation, likely contributing to radiation-induced carcinogenesis. We did not observe epigenetic differences between stable and unstable irradiated clones. The fact that the DNA methylation (DNAm) age of clones derived from the same primary culture varied greatly suggests that DNAm age of a single cell (represented by a clone) can be quite different from the DNAm age of a tissue. We propose that DNAm age reflects the emergent property of a large number of individual cells whose respective DNAm ages can be highly variable.
Werner Syndrome (WS) is an adult‐onset segmental progeroid syndrome. Bisulfite pyrosequencing of repetitive DNA families revealed comparable blood DNA methylation levels between classical (18 WRN‐mutant) or atypical WS (3 LMNA‐mutant and 3 POLD1‐mutant) patients and age‐ and sex‐matched controls. WS was not associated with either age‐related accelerated global losses of ALU, LINE1, and α‐satellite DNA methylations or gains of rDNA methylation. Single CpG methylation was analyzed with Infinium MethylationEPIC arrays. In a correspondence analysis, atypical WS samples clustered together with the controls and were clearly separated from classical WS, consistent with distinct epigenetic pathologies. In classical WS, we identified 659 differentially methylated regions (DMRs) comprising 3,656 CpG sites and 613 RefSeq genes. The top DMR was located in the HOXA4 promoter. Additional DMR genes included LMNA, POLD1, and 132 genes which have been reported to be differentially expressed in WRN‐mutant/depleted cells. DMRs were enriched in genes with molecular functions linked to transcription factor activity and sequence‐specific DNA binding to promoters transcribed by RNA polymerase II. We propose that transcriptional misregulation of downstream genes by the absence of WRN protein contributes to the variable premature aging phenotypes of WS. There were no CpG sites showing significant differences in DNA methylation changes with age between WS patients and controls. Genes with both WS‐ and age‐related methylation changes exhibited a constant offset of methylation between WRN‐mutant patients and controls across the entire analyzed age range. WS‐specific epigenetic signatures occur early in life and do not simply reflect an acceleration of normal epigenetic aging processes.