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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:hbz:385-10956
URL: http://ubt.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2017/1095/


The Role of DNA Methylation: Linking Exposure to Phenotype

Die Rolle der DNS Methylierung: Verknüpfung von Exposition zu Phänotypen

Leenen, Fleur A D

pdf-Format:
Dokument 1.pdf (11.019 KB)

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SWD-Schlagwörter: Methylierung , Transkription
Freie Schlagwörter (Englisch): Epigenetics, NR3C1, DOHaD
Institut: Psychologie
Fakultät: Fachbereich 1
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Muller, Claude P (Prof Dr)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.08.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 25.10.2017
Kurzfassung auf Englisch: DNA methylation, through 5-methyl- and 5-hydroxymethylcytosine (5mC and 5hmC) is considered to be one of the principal interfaces between the genome and our environment and it helps explain phenotypic variations in human populations. Initial reports of large differences in methylation level in genomic regulatory regions, coupled with clear gene expression data in both imprinted genes and malignant diseases provided easily dissected molecular mechanisms for switching genes on or off. However, a more subtle process is becoming evident, where small (<10%) changes to intermediate methylation levels were associated with complex disease phenotypes. This has resulted in two clear methylation paradigms. The latter “subtle change” paradigm is rapidly becoming the epigenetic hallmark of complex disease phenotypes, although we were currently hampered by a lack of data addressing the true biological significance and meaning of these small differences.
The initial expectation of rapidly identifying mechanisms linking environmental exposure to a disease phenotype led to numerous observational/association studies being performed. Although this expectation remains unmet, there is now a growing body of literature on specific genes, suggesting wide ranging transcriptional and translational consequences of such subtle methylation changes.
Data from the glucocorticoid receptor (NR3C1) has shown that a complex interplay between DNA methylation, extensive 5’UTR splicing and microvariability gives rise to the overall level and relative distribution of total and N-terminal protein isoforms generated. Additionally, the presence of multiple AUG translation initiation codons throughout the complete, processed, mRNA enables translation variability, hereby enhancing the translational isoforms and the resulting protein isoform diversity; providing a clear link between small changes in DNA methylation and significant changes in protein isoforms and cellular locations. Methylation changes in the NR3C1 CpG island, alters the NR3C1 transcription and eventually protein isoforms in the tissues, resulting in subtle but visible physiological variability. Implying external environmental stimuli act through subtle methylation changes, with transcriptional microvariability as the underlying mechanism, to fine-tune the total NR3C1 protein levels.
The ubiquitous distribution of genes with similar structure as NR3C1, combined with an increasing number of studies linking subtle methylation changes in specific genes with wide ranging transcriptional and translational consequences, suggested a more genome-wide spread of subtle DNA methylation changes and transcription variability. The subtle methylation paradigm and the biological relevance of such changes were supported by two epigenetic animal models, which linked small methylation changes to either psychopathological or immunological effects. The first model, rats subjected to maternal deprivation, showed long term behavioural and stress response changes. A second model, exposing mice to early life infection with H1N1, illustrated long-term immunological effects. Both models displayed subtle changes within the methylome. Suggesting/Indicating that early life adversity and early life viral infection ‘programmed’ the CNS and innate immune response respectively, via subtle DNA methylation changes genome-wide.
The research presented in this thesis investigated the ever-growing roles of DNA methylation; the physiological and functional relevance of subtle small DNA methylation changes genome-wide, in particular for the CNS (MD model) and the immune system (early life viral infection model) ; and the evidence available, particularly from the glucocorticoid of the cascade of events initiated by such subtle methylation changes, as well as addressing the underlying question as to what represents a genuine biologically significant difference in methylation.
Kurzfassung auf Sonst.: DNS-Methylierung durch 5-Methyl- und 5-Hydroxymethylcytosin (5mC und 5hmC) gilt als eine der Hauptschnittstellen zwischen dem Genom und unserer Umwelt und hilft phänotypische Variationen in der menschlichen Population zu erklären. Erste Berichte über große Unterschiede im Methylierungsgrad in regulatorischen Regionen des Genoms, gepaart mit Genexpressionsdaten, sowohl in geprägten Genen, als auch malignen Erkrankungen, lieferten leicht zu entschlüsselnde molekulare Mechanismen zum Ein- und Ausschalten von Genen. Aktuell wird jedoch auch ein subtilerer Prozess ersichtlich, bei dem kleine (<10%) Veränderungen der intermediären Methylierungsgrade mit komplexen Krankheitsphänotypen in Verbindung gebracht werden können. Diese beiden Ansätze haben zu zwei Paradigmen geführt. Das letztgenannte Paradigma der „subtilen Veränderungen“, entwickelt sich derzeit zum epigenetischen Kennzeichen für Phänotypen komplexer Krankheiten, allerdings noch eingeschränkt durch einen Mangel verfügbarer Daten, mit denen die echte biologische Signifikanz und Bedeutung dieser kleinen Unterschiede adressiert werden könnten.
Die anfängliche Erwartung, rasch Mechanismen identifizieren zu können, die bestimmte Umweltbelastungen mit Krankheitsphänotypen koppeln, führte zur Veröffentlichung zahlreicher Beobachtungs- und Assoziationsstudien. Obwohl die eigentliche Erwartung nicht erfüllt werden konnte, verfügen wir durch diese Studien nun über eine weitreichende Menge an Information zu spezifischen Genen, die auf weitreichende transkriptionale und translationale Konsequenzen solcher subtiler Methylierungsänderungen hindeutet.
In diesem Zusammenhang haben Daten zum Glukokortikoidrezeptor (NR3C1) gezeigt, dass ein komplexes Wechselspiel zwischen DNS-Methylierung, extensivem 5’UTR-Spleißen und Mikrovariabilität das Gesamtniveau sowie die relative Verteilung der erzeugten Gesamt- und N-terminalen Protein-Isoformen beeinflusst.
Die Anwesenheit von mehreren AUG-Translationsinitiationscodons in der gesamten verarbeiteten mRNA ermöglicht Translationsvariabilität, wodurch die Diversität des Translations-Isoformen und die resultierenden Protein-Isoformen erhöht wird. Dies stellt eine eindeutige Verbindung zwischen kleinen DNS-Methylierungänderungen und signifikanten Veränderungen der Protein-Isoformen dar. Methylierungsänderungen in der NR3C1-CpG-Insel verändern die NR3C1-Transkription und schließlich die Protein-Isoformen in den Geweben, was zu einer dezenten, aber sichtbaren physiologischen Variabilität führt. Dies wiederum impliziert, dass externe Umweltreize durch subtile Methylierungsänderungen, zusammen mit der Transkriptionsmikrovariabilität als zugrundeliegendem Mechanismus, den gesamten NR3C1-Proteinspiegel feineinstellen. Die ubiquitäre Verteilung von Genen mit ähnlicher Struktur wie NR3C1 in Kombination mit einer zunehmenden Anzahl von Studien über die dezente Methylierungsänderungen in spezifischen Genen mit weitreichenden transkriptionellen und translationalen Konsequenzen, suggeriert eine genomweite Verbreitung von feinen DNS-Methylierungsänderungen und Transkriptionsvariabilität.
Das subtile Methylierungsparadigma und die biologische Relevanz solcher Veränderungen wird durch zwei epigenetische Tiermodelle unterstützt, die kleine Veränderungen der Methylierung entweder mit psychopathologischen oder immunologischen Effekten verbinden. Das erste Modell, in dem Ratten mütterlicher Deprivation ausgesetzt werden, zeigt langfristige Veränderungen des Verhaltens und der Reaktion auf Stress. Ein zweites Modell, in dem juvenile Mäuse mit H1N1 Viren infiziert werden, zeigt langfristige immunologische Effekte. Beide Modelle beschreiben subtile Veränderungen innerhalb des Methyloms, und suggerieren, dass Belastungen und virale Infektionen in juvenilen Lebensphasen durch subtile DNS-Methylierungänderungen genomweit das ZNS und die angeborene Immunantwort „programmieren“.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung untersucht die stetig wachsende Rolle der DNS-Methylierung; die physiologische und funktionelle Relevanz subtiler Änderungen der DNA-Methylierung genomweit, insbesondere für das ZNS (Mütterliche Deprivation in Ratten) und das Immunsystem (Virale Infektion juveniler Mäuse); die bereits verfügbaren Daten, insbesondere zu Glukokortikoiden innerhalb der Eventkaskaden, die durch subtile Veränderungen der Methylierung ausgelöst werden; sowie darüber hinaus die Frage, was ein echten, biologisch signifikanten Unterschied in der Methylierung darstellt.

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