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Imprinted genes show parent-specific activity (functional haploidy), which makes them particularly vulnerable to epigenetic dysregulation. Here we studied the methylation profiles of oppositely imprinted genes at single DNA molecule resolution by two independent parental allele-specific deep bisulfite sequencing (DBS) techniques. Using Roche (GSJunior) next generation sequencing technology, we analyzed the maternally imprinted MEST promoter and the paternally imprinted MEG3 intergenic (IG) differentially methylated region (DMR) in fetal cord blood, adult blood, and visceral adipose tissue. Epimutations were defined as paternal or maternal alleles with >50% aberrantly (de)methylated CpG sites, showing the wrong methylation imprint. The epimutation rates (range 2–66%) of the paternal MEST and the maternal MEG3 IG DMR allele, which should be completely unmethylated, were significantly higher than those (0–15%) of the maternal MEST and paternal MEG3 alleles, which are expected to be fully methylated. This hypermethylation of the non-imprinted allele (HNA) was independent of parental origin. Very low epimutation rates in sperm suggest that HNA occurred after fertilization. DBS with Illumina (MiSeq) technology confirmed HNA for the MEST promoter and the MEG3 IG DMR, and to a lesser extent, for the paternally imprinted secondary MEG3 promoter and the maternally imprinted PEG3 promoter. HNA leads to biallelic methylation of imprinted genes in a considerable proportion of normal body cells (somatic mosaicism) and is highly variable between individuals. We propose that during development and differentiation maintenance of differential methylation at most imprinting control regions may become to some extent redundant. The accumulation of stochastic and environmentally-induced methylation errors on the non-imprinted allele may increase epigenetic diversity between cells and individuals.
Background:
Intrauterine exposure to gestational diabetes mellitus (GDM) confers a lifelong increased risk for metabolic and other complex disorders to the offspring. GDM-induced epigenetic modifications modulating gene regulation and persisting into later life are generally assumed to mediate these elevated disease susceptibilities. To identify candidate genes for fetal programming, we compared genome-wide methylation patterns of fetal cord bloods (FCBs) from GDM and control pregnancies.
Methods and results:
Using Illumina’s 450K methylation arrays and following correction for multiple testing, 65 CpG sites (52 associated with genes) displayed significant methylation differences between GDM and control samples. Four candidate genes, ATP5A1, MFAP4, PRKCH, and SLC17A4, from our methylation screen and one, HIF3A, from the literature were validated by bisulfite pyrosequencing. The effects remained significant after adjustment for the confounding factors maternal BMI, gestational week, and fetal sex in a multivariate regression model. In general, GDM effects on FCB methylation were more pronounced in women with insulin-dependent GDM who had a more severe metabolic phenotype than women with dietetically treated GDM.
Conclusions:
Our study supports an association between maternal GDM and the epigenetic status of the exposed offspring. Consistent with a multifactorial disease model, the observed FCB methylation changes are of small effect size but affect multiple genes/loci. The identified genes are primary candidates for transmitting GDM effects to the next generation. They also may provide useful biomarkers for the diagnosis, prognosis, and treatment of adverse prenatal exposures.
Eine intrauterine Gestationsdiabetes (GDM) Exposition induziert in den betroffenen Nachkommen eine lebenslang erhöhte Prädisposition für metabolische und komplexe Erkrankungen. Die Krankheitssuszeptibilität wird dabei durch epigenetische Veränderungen vermittelt, die sich über die Regulation der Genaktivität auch auf das Expressionsniveau und den Phänotypen auswirken. Um neue Gene zu finden, die eine Rolle in der fetalen Programmierung spielen, wurden in dieser Arbeit genomweite Methylierungsmuster von Nabelschnurbluten (FCBs) aus GDM-Schwangerschaften und Kontrollen miteinander verglichen. Mit Illumina Infinium HumanMethylation 450K Arrays konnten signifikante Gruppenunterschiede für insgesamt 65 CpG-Stellen (52 davon genassoziiert) festgestellt werden, die multiplem Testen standhielten. Mittels Pyrosequenzierung wurden vier dieser Kandidaten-Loci (ATP5A1, MFAP4, PRKCH, SLC17A4), sowie ein Gen aus der Literatur (HIF3A) genauer untersucht und die Effekte erfolgreich validiert. Für das zugrundeliegende multivariate Regressionsmodell wurden die potenziellen Störfaktoren Gestationsalter, kindliches Geschlecht und mütterlicher BMI berücksichtigt. Der GDM-Effekt zeigte sich stärker in der insulinbehandelten Subgruppe (I-GDM) als in der diätisch behandelten (D GDM) und scheint insgesamt multifaktoriell bedingt zu sein, da viele Gene betroffen waren, jedoch alle mit einer vergleichsweise niedrigen Effekt-Größe. Zusätzlich konnten für den MEG3 Promotor, MEST und PEG3, drei von vier geprägten Genen, die mittels Deep Bisulfite Sequencings (DBS) analysiert wurden, ebenfalls signifikante Methylierungs-unterschiede zwischen der GDM- und Kontroll-Gruppe detektiert werden. Die identifizierten Gene stellen labile Zielregionen für die GDM-induzierte intrauterine Programmierung dar und können zukünftig nützliche Biomarker für Krankheitsdiagnosen und Prognosen sein. Mittels DBS können darüber hinaus Einzelmolekül-Analysen durchgeführt werden, für die in differentiell methylierten Regionen (DMRs) anhand eines informativen SNPs die parentale Allel-Herkunft bestimmt und bei der Berechnung von Epimutationsraten einbezogen werden kann. Epimutationen wurde als solche gewertet, wenn sie ein > 50 % abnormal (de)methyliertes Methylierungsprofil aufwiesen. Die DBS-Daten wurden mit zwei verschiedenen Sequenzierplattformen generiert (Roche GS Junior und Illumina MiSeq). Für Zweitere wurde ein eigenes, unabhängiges Library-Präparations-Protokoll entwickelt. In Nabelschnurblut, adultem Blut und Viszeralfett wurden für die paternal exprimierte MEST Promotor DMR und die maternal exprimierte MEG3 intergenic (IG) DMR hohe Epimutationsraten für das jeweils unmethylierte Allel detektiert. Die geprägten (methylierten) Allele wiesen dagegen nur niedrige Epimutationsraten auf. Da MEST und MEG3 invers geprägte Gene sind, war die Hypermethylierung des nicht geprägten Allels (HNA) demnach unabhängig von der parentalen Allel-Herkunft. Die HNA scheint außerdem erst nach der Fertilisation aufzutreten, da in Spermien nur sehr wenige Epimutationen gefunden wurden. Für die sekundäre MEG3 Promotor DMR (deren Prägung von der primären MEG3 IG-DMR reguliert wird) wurde ein deutlich schwächerer, wenngleich signifikanter HNA-Effekt im FCB gemessen, für die paternal exprimierte PEG3 Promotor DMR konnte dagegen kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden parentalen Epimutationsraten festgestellt werden. Der HNA-Effekt für die MEST DMR, MEG3 IG-DMR und MEG3 Promotor DMR war weder mit GDM noch mit Adipositas assoziiert und zeigte allgemein eine große interindividuelle Varianz. Die Aufrechterhaltung differenzieller Methylierungsmuster in Imprinting Kontrollregionen (ICRs) scheint in manchen Entwicklungs-Zeitspannen von großer Bedeutung und damit streng kontrolliert zu sein, später jedoch redundant zu werden, was sich in der Anreicherung von stochastischen sowie umweltinduzierten Fehlern auf dem nicht geprägten Allel äußern kann. HNA-suszeptible geprägte Gene ähneln in mancherlei Hinsicht metastabilen Epiallelen. Diese Studie zeigt, dass sowohl stochastische Faktoren als auch Umweltstimuli während der frühen embryonalen Entwicklung u.a. über HNA-Effekte geprägte Gen-Netzwerke programmieren, die in Wachstumsprozesse involviert sind. Um tiefere Einblicke in allelspezifische Prägungsprofile zu erhalten, wären umfangreiche DBS HNA-Längsschnittstudien aller 50-100 human geprägten Gene in unterschiedlichen Gewebetypen und Differenzierungsstadien wünschenswert.