Epigenetisch epidemiologisch onderzoek

Report
Epigenetisch epidemiologisch
onderzoek
Rudolf Talens
PHD epigenetische epidemiologie
Dept. Molecular Epidemiology
Leiden University Medical Center
Opbouw presentatie
• Epigenetica wat is het
• Epigenetisch onderzoek
• Epigenetica in epidemiologisch onderzoek
• Epigenetica in de klas
2
Wat is Epigenetica
• Wat denken jullie?
3
Biochemische benadering
2 m chromosoom in celkern < 10 µm
Opvouwen (CONDENSATIE!)
Ruggengraat = PO3-  Neutraliseren
Wikkelen rondom histon eiwitten
Histonen + DNA = nucleosoom
Kleine chemische groepen aan Histon staarten
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=gbSIBhFwQ4s
Attractie, hogere condensatie  gesloten chromatine
Repulsie, minder condensatie  open chromatine
Condensatie beperkt toegankelijkheid transcriptie
Het hele genoom niet gelijkmatig gecondenseerd
4
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)
5
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
6
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
7
Definitie
• Mitotisch overerfbare verschillen in gen expressie
potentiaal die niet worden veroorzaakt door
verschillen in de genetische code (Jaenisch & Bird,
2003)
8
Epigenetische informatie
• Verschillende gecorreleerde lagen / vormen
9
Epigenetische regulatie gen expressie
M
--CG---GC-M
miRNA
DNMT
MBP
Transcriptionally
silent DNA
HDAC
Exon 1
Exon 2
Exon 1
Exon 2
HDAC
Methylated
Lys9 on H3
Transcription
Activator complex
Transcriptionally
active DNA
Acetylated H3
Methylated
Lys4 on H3
https://www.youtube.com/watch?v=29doT6Hf2MI&feature=player_detailpage
10
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
11
GenGen


Omgeving
Gen
Omgeving
 Ziekte
+ Kans


Ziekte
Ziekte
12
Concepten rondom epigenetica
• Welke concepten zijn er nu voorbij gekomen?
• Welke had je al bedacht?
• Welke zijn er nieuw?
13
Epigenetisch onderzoek
• Meten epigenetische informatie
• DNA methylatie (CpG sites)
– meest onderzochte laag van epigenetische informatie
– Methyl gevoelige restrictie enzymen
Verouderd
– Methylated DNA immuno precipitation
– Bisulfiet (BS) behandeling
Meest gebruikt
• Histon modificaties
– Technisch steeds meer mogelijk
– CHIP: chromatine immuno precipitation (sequencing)
14
Meten DNA methylatie (BS)
• Bisulfiet creëert artificiële SNP
– Ongemethyleerde C wordt U (T)
– gemethyleerde C blijft C
– Detecteren met gangbare
sequencing technieken
BS
PCR
• DNA methylatie:
–
–
–
–
–
1 molecuul: binair (wel of niet)
1000 moleculen: (0 % – 100 %)
2 allelen / cel, meten 500 cellen
Kwantitatieve variabele
Inter-individuele variatie
Talens et al., Faseb J. 2010
15
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
16
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
17
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
18
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
unmethylated
methylated
Waterland & Jirtle MCB 2003; Dolinoy et al. EHP 2006
19
Dier modellen: de Agouti muis
• DNA methylatie ps1A promoter prenataal
beïnvloedbaar (folium)
• Verschuiving vachtkleur nest
Waterland & Jirtle MCB 2003
• Eiwit deficiëntie ook
• Hersteld met folium
Dolinoy et al. EHP 2006
20
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)
21
Epigenetica en stress?
• Rat model kinderverwaarlozing
–
–
–
–
Minder moederzorg  hogere stress respons
Hogere DNA methylatie Glucocorticoid receptor
Weaver et al. Nat Neurosci 2004.
Gekruiste opvoeding zelfde effect
Terugdraaien met inhibitie histon deacetylase
• Zelfde mechanisme in muizen a.g.v. stress vroeg in leven
– Methylatie gen arginine vasopressin
Murgatroyd et al. Nat neurosci 2009
• Ook in mensen a.g.v. kindermishandeling
– Hersenen van zelfmoord slachtoffers
McGowan et al. Nat neurosci 2009
22
celkweek
• DNA methylatie verandert willekeurig
• 2 Cellijnen in kweek
– Zelfde originele cel
– Zelfde omstandigheden
– 100 + passages
Landan et al. Nat Genet 2012
23
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!
24
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)
Locus
Correlation
Locus
Correlation
IGF2R
0.88
IGF2R
0.83
LEP
0.90
LEP
0.80
CRH
0.94
CRH
0.91
IGF2
0.92
APOC1
0.82
APOC1
0.96
Talens et al.,
Faseb J. 2010
25
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
26
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
DOHaD
Gametogenesis Conception Birth Growth Adulthood Ageing
Adverse conditions
Coronary Heart Disease
De Hongerwinter Familie Studie
• Eind WW2, voedsel embargo west Nederland
• Verschrikkelijke episode, maar overeenkomsten
met interventie studie diermodellen
• Individuen blootgesteld rondom geboorte
getraceerd en
2000
1500
Famine period
Ja n 1 9 4 5
Feb 1945 M ar 1945
Apr 1945
Food
ration
Daily ration
0
Dec 1944
R a tio n (kca l/d a y)
500
kCal/day
(kcal/day)
1000
M ay 1945
Famineconception
period
Estimated
(Last menstrual period)
Lumey et al., Int J Epidemiol 2007
28
Epigenetica gevoelig voor hongerwinter
• Prenataal blootgesteld vs zus of broer (zelfe sexe)
Within pair difference (%)
– 7 / 16 loci verschilden
– Associaties waren sexe en timing specifiek
–6 Meer aan de hand dan folium deficientie
4
2x10-6
2
0
-2
-4
-6
6x10-5
3x10-6
Gene
Early
IGF2
GNAS
INSIGF
IL10
LEP
ABCA1 2x10-5
3x10-3
Late
Tobi et al. Hum Mol Genet 2009
8x10-4 8x10-3
Gender
F
M
M
IGF2
IL10
GNASAS
INSIGF2
LEP
ABCA1
MEG3
29
Gevoeligheid rondom conceptie
• Van gametogenese tot aan embryogenese
– Epigenetische herstructureringen
– Beslissingen over cel identiteit
30
Epigenetica gedurende levensspanne
18
50
88
Adult lifespan
NTR
DTR
• Nederlandse eeneiige tweelingparen (NTR)
66 MZ twin pairs (< 30 years)
•
Deense eeneiige tweelingparen (DTR)
67 MZ twin pairs (> 73 years)
Talens et al., Aging cell 2012
*
P < 0.05
**
P < 0.01
Mean Methylation
Ouderen hogere epigenetische variatie
*** *** *** *** *** *** *** ***
St Dev
***
P < 0.001
** ** *** ** *** *** *** ***
***
Talens et al., Aging cell 2012
Epigenetische variatie binnen MZ paar
• Epigenetische tussen individuen en binnen
tweeling paren hoger op oude leeftijd
**
*** *** ***
**
Talens et al., Aging cell 2012
** *** *** ***
Epigenetica gedurende levensspanne
18
50
88
Adult lifespan
NTR
DTR
NTR
• Biobank project (NTR)
NTR
66 MZ twin pairs (< 30 years)
• LSADT study (DTR)
219 MZ twin pairs
67 MZ twin pairs (> 73 years)
6 assays:
global
en 5 (30
specifieke
loci
61 NTR
MZ (LINE1)
twin pairs
- 65 years)
2 weinig toename in variatie: KCNQ1OT1 and GNASAS
25
NTR toename
MZ twininpairs
(> IGF2DMR,
65 years)LEP and CRH
3 grote
variatie:
Talens et al., Aging cell 2012
Epigenetica gedurende levensspanne
• Epigenetische variatie lijkt geleidelijk toe te nemen
*
**
***
Talens et al., Aging cell 2012
***
***
Longitudinale follow-up op hoge leeftijd
18
50
88
Adult lifespan
NTR
DTR
NTR
NTR
19 DTR MZ twin pairs
DTR
DTR
1997
2007
73 – 81 years old at first sampling
Blood samples from 1997 and 2007
Talens et al., Aging cell 2012
Epigenetische variatie na 10 jaar follow-up
• Toename in epigenetische variatie blijft tot op
hoge leeftijd geleidelijk doorgaan
*
Talens et al., Aging cell 2012
Epigenetica en CHD
• Honger winter studie
• Prenatale blootstelling verhoogd risico op
– Hart en vaat ziekten
– Metabole ziekten
– Schizofrenie
– Epigenetische veranderingen  CHD?
DOHaD
Gametogenesis Conception Birth Growth Adulthood Ageing
Adverse conditions
Coronary Heart Disease
38
Epigenetica en CHD
• 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
DOHaD
Gametogenesis Conception Birth Growth Adulthood Ageing
Adverse conditions
Coronary Heart Disease
Talens et al., Int J Epidemiol 2012
39
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
Controls
Cases
– Controls
(SE) locus
Locus
INS
GNASAS
Mean (SD)
Sex % methylation
% meth
Standardized p-value
♂
76.0 (5.1)
− 0.4 (0.87)
− 0.07
0.659
♀
75.5 (4.2)
+ 2.5 (0.76)
+ 0.59
0.002
♂
49.3 (6.6)
+ 0.2 (1.12)
+ 0.03
♀
48,4 (7.0)
+ 4.2 (1.28)
+ 0.60
Talens et al., Int J Epidemiol 2012
*,
0.850p < 0.05
**, p < 0.01
0.001
***, p < 0.001
40
Epigenetische epidemiologie
Epigenetische mechanisme geven een geloofwaardig
moleculair mechanisme waarmee de associatie
tussen ouderdomsziekten en vroege (prenatale)
omgeving, en levensstijl.
Wetenschappelijk bewijs neemt toe!
Gametogenesis
Conception
Birth
Growth
Adulthood
Ageing
41
Many thanks
• LUMC, dpt. Cardiology, The PROSPER Group
Prof. Dr. W. Jukema and Dr. S Trompet
• LUMC, dpt. Medical statistics and bioinformatics
Prof. Dr. Hein Putter, Dr. J. Goeman
• LUMC, dpt. Molecular epidemiology
Dr. 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. Pathology
Dr. 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)
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?
43
Doorgeven van verkregen eigenschappen
• Evolutie
• Adaptatie
– Populatie
– Vele generaties
– Genetische code
– Individu
– Enkele generaties
– Epigenetische code?
Plaatje vrouw / generaties
Jean-Baptiste Lamarck
(1744-1829)

similar documents