Epigenetisch epidemiologisch onderzoek

Epigenetisch epidemiologisch onderzoek

Rudolf Talens

PHD epigenetische epidemiologieDept. Molecular Epidemiology

Leiden University Medical Center

2

Opbouw presentatie

• Epigenetica wat is het

• Epigenetisch onderzoek

• Epigenetica in epidemiologisch onderzoek

• Epigenetica in de klas

3

Wat is Epigenetica• Wat denken jullie?

4

Biochemische benadering2 m chromosoom in celkern < 10 µmOpvouwen (CONDENSATIE!)Ruggengraat = PO3

- Neutraliseren Wikkelen rondom histon eiwittenHistonen + DNA = nucleosoom Kleine chemische groepen aan Histon staarten

Attractie, hogere condensatie gesloten chromatineRepulsie, minder condensatie open chromatine

Condensatie beperkt toegankelijkheid transcriptieHet hele genoom niet gelijkmatig gecondenseerd

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=gbSIBhFwQ4s

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=gbSIBhFwQ4s

5

Fysiologische benadering

• Ons lichaam bestaat uit vele cel typen• Functioneel en morfologisch heel anders• Allemaal uit één zygote zelfde genoom• Niet-genetische Informatie voor cel identiteit• Epi = op! boven-genetische informatie• Embryogenese en differentiatie kennen enorme

epigenetische veranderingen (Reik, 2007)

6

Biologische benadering• Niet elk gen / allel komt tot expressie

– Gen expressie verschillen tussen isogene individuen– Bv 1e gekloonde kat (cc, DNA donor: rainbow)– Beide lapjeskatten, let op vacht!

• X-chromosoom inactivatie• In vroege ontwikkeling één allel uitgezet• Willekeurige beslissing wordt correct doorgegeven

– Zorgt voor mozaïek (lapjes patroon vacht)– Gekloonde Lapjeskatten ander vacht patroon

7

Wat is epigenetica?• Biochemische informatie op en rondom het

DNA dat plaatselijk de mate van condensatie van het chromosoom bepaalt

• Onafhankelijk van de genetische code• Programmeerbaar gedurende ontwikkeling en

cel differentiatie• Mitotisch overerfbaar • Stabiel in gedifferentieerde cel• Verandering blijft mogelijk

– Aanpassing gen expressie aan omgeving

8

Definitie • Mitotisch overerfbare verschillen in gen expressie

potentiaal die niet worden veroorzaakt door verschillen in de genetische code (Jaenisch & Bird, 2003)

Epigenetische informatie• Verschillende gecorreleerde lagen / vormen

9

10

Epigenetische regulatie gen expressie

https://www.youtube.com/watch?v=29doT6Hf2MI&feature=player_detailpage

Transcriptionallysilent DNA

Transcriptionallyactive DNA

TranscriptionActivator complex

Exon 1 Exon 2

MethylatedLys4 on H3Acetylated H3

M--CG----GC-- M

HDACHDAC

MBP

DNMT

Exon 2Exon 1

MethylatedLys9 on H3

miRNA

https://www.youtube.com/watch?v=29doT6Hf2MI&feature=player_detailpage

11

Epigenetische mechanismen• Vergelijk genetische code met computer code• Dan is epigenetische code besturingssysteem

• Epigenoom is dynamisch (i.t.t. genoom)– Omgeving heeft invloed

• Geïnduceerd fysiologisch proces (bv wondgenezing)• Gericht aanpassing aan omgeving (bv eetgedrag)• Willekeurig schade (bv toxische blootstelling)

– Willekeurige veranderingen zonder omgevingsinvloed• Incorrect epigenetisch onderhoud

12

Gen Omgeving ZiekteGen Omgeving + Kans ZiekteGen Ziekte

13

Concepten rondom epigenetica

• Welke concepten zijn er nu voorbij gekomen?

• Welke had je al bedacht?

• Welke zijn er nieuw?

14

Epigenetisch onderzoek• Meten epigenetische informatie• DNA methylatie (CpG sites)

– meest onderzochte laag van epigenetische informatie– Methyl gevoelige restrictie enzymen– Methylated DNA immuno precipitation– Bisulfiet (BS) behandeling

• Histon modificaties– Technisch steeds meer mogelijk– CHIP: chromatine immuno precipitation (sequencing)

Verouderd

Meest gebruikt

15

Meten DNA methylatie (BS)• Bisulfiet creëert artificiële SNP

– Ongemethyleerde C wordt U (T) – gemethyleerde C blijft C– Detecteren met gangbare

sequencing technieken

• DNA methylatie:– 1 molecuul: binair (wel of niet)– 1000 moleculen: (0 % – 100 %)– 2 allelen / cel, meten 500 cellen– Kwantitatieve variabele– Inter-individuele variatie

BS

PCR

Talens et al., Faseb J. 2010

16

Meten DNA methylatie• Epigenetisch onderzoek complexer dan genetisch

– 1 lichaam, 1 genoom, geen weefsel verschillen– 1 leven, 1 genoom, zelfde genen van geboorte tot dood– Elke Levensstijl, 1 genoom, wat je doet beïnvloed genen niet– Elke ziekte, 1 genoom, ziekte veranderd je genen niet (causatie)– Sequentie humaan genoom bekend – UCSC genome browser

17

Epigenetisch onderzoek• Humaan epigenetisch onderzoek lastig

– Veel genetische variatie– Beperkt aantal weefsel beschikbaar voor onderzoek– Geen controle over levensstijl / leef omgeving

• Dier modellen– Inteelt populatie, geen genetische variatie– Controle over omgeving– Elk weefsel op elk moment toegankelijk

18

Dier modellen: de Agouti muis• Normale expressie agouti gen

– Kort in haar follicel voor gele gloed op zwart haar• Toevallige transposon insertie creëerde

alternatieve promoter in niet coderend deel– Expressie Avy via ps1A promoter mogelijk in elke cel– Afhankelijk van ps1A DNA methylatie

19

Dier modellen: de Agouti muis• Inteelt model voor epigenetische regulatie

– Isogene individuen– DNA methylatie fenotypisch verschil– Vachtkleur en obesitas = observeerbaar fenotype– Fenotypisch spectrum gecorreleerd aan epigenetica

Waterland & Jirtle MCB 2003; Dolinoy et al. EHP 2006

methylatedunmethylated

Dier modellen: de Agouti muis• DNA methylatie ps1A promoter prenataal

beïnvloedbaar (folium)• Verschuiving vachtkleur nest

• Eiwit deficiëntie ook • Hersteld met folium

20

Waterland & Jirtle MCB 2003

Dolinoy et al. EHP 2006

21

Andere diermodellen• Schapen folium arm dieet in pre implantatie fase:

– blastulas van controle en dieet moeders werden op overgebracht en geïmplanteerd in baarmoeder van normaal gevoede schapen (Sinclair PNAS 2007)

• Folium arm dieet geassocieerd met– Genoom wijde epigenetische verschillen in foetus– Vettere mannetjes (22 mnd.) met minder spier massa– Slechtere insuline respons

• Ratten– Prenatale calorische restrictie tegengesteld effect van prenatale

eiwit restrictie op zelfde genen (PPARα en GR)

22

Epigenetica en stress?• Rat model kinderverwaarlozing

– Minder moederzorg hogere stress respons– Hogere DNA methylatie Glucocorticoid receptor– Gekruiste opvoeding zelfde effect– Terugdraaien met inhibitie histon deacetylase

• Zelfde mechanisme in muizen a.g.v. stress vroeg in leven– Methylatie gen arginine vasopressin

• Ook in mensen a.g.v. kindermishandeling– Hersenen van zelfmoord slachtoffers

Weaver et al. Nat Neurosci 2004.

Murgatroyd et al. Nat neurosci 2009

McGowan et al. Nat neurosci 2009

23

celkweek• DNA methylatie verandert willekeurig• 2 Cellijnen in kweek

– Zelfde originele cel– Zelfde omstandigheden– 100 + passages

Landan et al. Nat Genet 2012

24

Humaan epigenetisch onderzoek• Humane interne weefsels na operatie of autopsie• Populatie studies epidemiologie

– Historische gebeurtenis (b.v Hongerwinter)– Familie studies (bv Tweelingen)– Klinische cohorten (bv hartinfarct

• Meestal slechts 1 bloedmonster / deelnemer beschikbaar!

• Voorwaarden epigenetische epidemiologie– Wat je meet is niet / weinig veranderd met de tijd– Wordt niet beïnvloed door de uitkomst (bv ziekte)– Is wat je kunt meten gerelateerd aan de ziekte

• WEEFSEL VERSCHILLEN!

25

Voorwaarden voor epidemiologie• Wat zegt DNA methylatie in bloed nou?• 8 kandidaat loci voor CHD getest

– Stabiliteit over 10 – 20 jaar– 2 weefsels (bloed en wangslijmvlies)

LocusCorrelatio

n

IGF2R 0.88

LEP 0.90

CRH 0.94

IGF2 0.92

APOC1 0.96

Locus Correlation

IGF2R 0.83

LEP 0.80

CRH 0.91

APOC1

0.82

Talens et al., Faseb J. 2010

26

Autopsie studies• Overeenkomsten tussen bloed en interne weefsels?

– Genoom wijde patronen, weefsels verschillen– Per CpG site, – 30 % correlatie > 0.75 bloed en één intern weefsel

Talens et al., UNPUBLISHED

Hypothese• Developmental Origins of Health and Disease

• Epidemiologische studies: Associatie CHD risico en slechte condities rondom geboorte– Klein bij geboorte– Historical events (e.g. famine)– Dierstudies impliceren epigenetische mechanismen

GametogenesisConception GrowthBirth AgeingAdulthood

Adverse conditions Coronary Heart Disease

DOHaD

28

De Hongerwinter Familie Studie• Eind WW2, voedsel embargo west Nederland• Verschrikkelijke episode, maar overeenkomsten

met interventie studie diermodellen• Individuen blootgesteld rondom geboorte

getraceerd en

Daily ration(kcal/day)

Dec 1944 Jan 1945 Feb 1945 Mar 1945 Apr 1945 May 1945

Ration (kcal/day)

0

500

1000

1500

2000

Estimated conception(Last menstrual period)

Food rationkC

al/day

Famine periodFamine period

Lumey et al., Int J Epidemiol 2007

29

Epigenetica gevoelig voor hongerwinter• Prenataal blootgesteld vs zus of broer (zelfe sexe)

– 7 / 16 loci verschilden – Associaties waren sexe en timing specifiek– Meer aan de hand dan folium deficientie

Tobi et al. Hum Mol Genet 2009

IGF2IL10 GNASASINSIGF2LEPABCA1MEG3

Within pair difference (%

)

-6

-4

-2

0

2

4

6

IGF2IL10 GNASASINSIGF2LEPABCA1MEG3

2x10-6

2x10-5

3x10-3 8x10-4 8x10-33x10-6

6x10-5

Gene Early LateGende

rIGF2GNAS FINSIGF MIL10 LEP MABCA1

30

Gevoeligheid rondom conceptie• Van gametogenese tot aan embryogenese

– Epigenetische herstructureringen– Beslissingen over cel identiteit

Epigenetica gedurende levensspanne

• Nederlandse eeneiige tweelingparen (NTR) 66 MZ twin pairs (< 30 years)

• Deense eeneiige tweelingparen (DTR)67 MZ twin pairs (> 73 years)

Adult lifespan

18 88

NTR DTR

50

Talens et al., Aging cell 2012

Ouderen hogere epigenetische variatie

*** *** *** *** *** *** *** ***

***

** ** ***** *** *** *** ***

Mea

n M

ethy

latio

nS

t Dev

*P < 0.05

**P < 0.01

***P < 0.001


Epigenetische variatie binnen MZ paar• Epigenetische tussen individuen en binnen

tweeling paren hoger op oude leeftijd** ****** ********* ** ***

**


• Biobank project (NTR) 66 MZ twin pairs (< 30 years)

• LSADT study (DTR) 67 MZ twin pairs (> 73 years)

61 NTR MZ twin pairs (30 - 65 years)25 NTR MZ twin pairs (> 65 years)

Adult lifespan

18 88

NTR DTR

50

NTR

NTR

219 MZ twin pairs

6 assays: global (LINE1) en 5 specifieke loci2 weinig toename in variatie: KCNQ1OT1 and GNASAS 3 grote toename in variatie: IGF2DMR, LEP and CRH


Epigenetica gedurende levensspanne

Epigenetica gedurende levensspanne• Epigenetische variatie lijkt geleidelijk toe te nemen

****** ******


Longitudinale follow-up op hoge leeftijd

19 DTR MZ twin pairs73 – 81 years old at first samplingBlood samples from 1997 and 2007

Adult lifespan

18 88

NTR DTR

50

DTR DTR

1997 2007

NTR

NTR


Epigenetische variatie na 10 jaar follow-up• Toename in epigenetische variatie blijft tot op

hoge leeftijd geleidelijk doorgaan

*


38

Epigenetica en CHD• Honger winter studie• Prenatale blootstelling verhoogd risico op

– Hart en vaat ziekten – Metabole ziekten– Schizofrenie – Epigenetische veranderingen CHD?



DOHaD

39

• Klinische studie op hartinfarct– 124 cases vs 126 controls, Geen eerdere CHD icidenten– Verhoogd risico door bloedwaarden, BMI, roken– Hartinfarct (MI) gedurende 3 jaar follow up

• 6 Loci, prenataal gevoelig voor hongerwinter

Epigenetica en CHD



DOHaD

Talens et al., Int J Epidemiol 2012

40

Associatie epigenetica en MI• Sex specifieke associatie DNA methylatie insuline

en G-receptor-α-anti-sense• Associatie onafhankelijk van CHD risico factoren• Associatie over alle CpG sites binnen locus

0.001+ 0.60+ 4.2 (1.28)48,4 (7.0)♀

0.850+ 0.03+ 0.2 (1.12)49.3 (6.6)♂GNASAS

0.002+ 0.59+ 2.5 (0.76)75.5 (4.2)♀

0.659− 0.07− 0.4 (0.87)76.0 (5.1)♂INS

Standardized% meth p-value

Cases – Controls (SE) Mean (SD) % methylation

SexLocus

Controls

Talens et al., Int J Epidemiol 2012

*, p < 0.05**, p < 0.01***, p < 0.001

41

Epigenetische epidemiologieEpigenetische mechanisme geven een geloofwaardig moleculair mechanisme waarmee de associatie tussen ouderdomsziekten en vroege (prenatale) omgeving, en levensstijl.

Wetenschappelijk bewijs neemt toe!

Gametogenesis Conception GrowthBirth AgeingAdulthood

Many thanks

• LUMC, dpt. Cardiology, The PROSPER GroupProf. Dr. W. Jukema and Dr. S Trompet

• LUMC, dpt. Medical statistics and bioinformaticsProf. Dr. Hein Putter, Dr. J. Goeman

• LUMC, dpt. Molecular epidemiologyDr. B. Heijmans, Prof. Dr. E. Slagboom, Dr. S Bos, Dr. I. Meulenbelt, Drs. E v.d. Akker, Dr(s). E. Tobi, Drs. M Drijfhout v Hooff, Drs. H. Suchiman, D. Kremer, R. v.d. Breggen N. Lakenberg and W. de Dijcker

• LUMC, dpt. PathologyDr. J Bovee, R. Guijt, T. Alberts, E. Dreef

• Nederlands Tweeling Register (Prof. Dr. D Boomsma, Dr. A Willemsen)• Danish Twin Registry (Prof. Dr. K Christensen, Prof. Dr. L. Christiansen)

43

Epigenetica in de klas

• Zoeken naar– Aansprekende en illustratieve voorbeelden– Projecten, experimenten en excursies

• Nog een vraag– Prenatale adaptatie ….. – Wat of wie denken we dan aan?

Doorgeven van verkregen eigenschappen• Evolutie

– Populatie– Vele generaties– Genetische code

• Adaptatie– Individu– Enkele generaties– Epigenetische code?

Plaatje vrouw / generaties

Jean-Baptiste Lamarck(1744-1829)

Epigenetisch epidemiologisch onderzoek

Documents

Transcript of Epigenetisch epidemiologisch onderzoek