epigenetisch epidemiologisch onderzoek
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
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
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
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
• 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
Talens et al., Aging cell 2012
Epigenetica gedurende levensspanne
Epigenetica gedurende levensspanne• Epigenetische variatie lijkt geleidelijk toe te nemen
****** ******
Talens et al., Aging cell 2012
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
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
38
Epigenetica en CHD• Honger winter studie• Prenatale blootstelling verhoogd risico op
– Hart en vaat ziekten – Metabole ziekten– Schizofrenie – Epigenetische veranderingen CHD?
GametogenesisConception GrowthBirth AgeingAdulthood
Adverse conditions Coronary Heart Disease
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
GametogenesisConception GrowthBirth AgeingAdulthood
Adverse conditions Coronary Heart Disease
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)