Flexible strategies for association analysis with genomic phenotypes

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Exploiting DNA damage repair defects for effective targeting of acute myeloid leukaemia by PARP inhibitors

Abstract for 24th Biennial Congress of the European Association for Cancer Research, 9–12 July 2016, Manchester, UK. Poster Session: Cancer Genomics, Epigenetics and Genome Instability II: Monday 11 July 2016

Early programming of the oocyte epigenome temporally controls late prophase I transcription and chromatin remodelling

Oocytes are arrested for long periods of time in the prophase of the first meiotic division (prophase I). As chromosome condensation poses significant constraints to gene expression, the mechanisms regulating transcriptional activity in the prophase I-arrested oocyte are still not entirely understood. We hypothesized that gene expression during the prophase I arrest is primarily epigenetically regulated. Here we comprehensively define the Drosophila female germ line epigenome throughout oogenesis and show that the oocyte has a unique, dynamic and remarkably diversified epigenome characterized by the presence of both euchromatic and heterochromatic marks. We observed that the perturbation of the oocyte's epigenome in early oogenesis, through depletion of the dKDM5 histone demethylase, results in the temporal deregulation of meiotic transcription and affects female fertility. Taken together, our results indicate that the early programming of the oocyte epigenome primes meiotic chromatin for subsequent functions in late prophase I.

A decrease in dkk1, a Wnt inhibitor, contributes to placental and fetal lipid accumulation in an obesity-prone rat model

Placenta, as the sole transport mechanism between mother and fetus, links the maternal physical state and the immediate and life-long outcomes of the offspring. The present study examined the mechanisms behind the effect of maternal obesity on placental lipid accumulation and metabolism. Pregnant Obese Prone (OP) and Obese Resistant (OR) rat strains were fed a control diet throughout gestation. Placentas were collected on gestational d21 for analysis and frozen placental sections were analyzed for fat accumulation as well as β-Catenin and Dkk1 localization. Additionally, DKK1 was overexpressed in JEG3 trophoblast cells, followed by treatment with NEFA and Oil Red O stain quantification and mRNA analysis to determine the relationship between placental DKK1 and lipid accumulation. Maternal plasma and placental NEFA and TG were elevated in OP dams, and offspring of OP dams were smaller than OR. Placental Dkk1 mRNA content was 4-fold lower in OP placentas, and there was a significant increase in β-Catenin accumulation as well as mRNA content of fat transport and TG synthesis enzymes, including Ppar-delta, Fatp1, Fat/Cd36, Lipin1, and Lipin3. There was significant lipid accumulation within the decidual zones in OP but not OR placentas, and the thickness of the decidual and junctional zones was significantly smaller in OP than OR placentas. Overexpression of DKK1 in JEG3 cells decreased lipid accumulation and the mRNA content of PPAR-Delta, FATP1, FAT/CD36, LIPIN1, and LIPIN3. Our results indicate that Dkk1 may be regulating placental lipid metabolism through Wnt-mediated mechanisms. Additionally, recent studies have suggested that maternal obesity may also program early development of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), rates of which have correlated with the increase in the obesity epidemic. In the current study, livers of OP offspring had significantly increased TG content (P<0.05) and lipid accumulation when compared to offspring of OR dams. Additionally, hepatic Dkk1 mRNA content was significantly decreased in OP livers when compared to OR (P<0.05), and treating H4IIECR rat hepatocyte cells with NEFA showed that Dkk1 mRNA was also decreased in NEFA-treated cells (P<0.05) that also had lipid accumulation. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) analysis of the Dkk1 promoter in fetal livers showed a pattern of histone modifications associated with decreased gene transcription in OP offspring, which agrees with our gene expression data. These results demonstrate that the hepatic Dkk1 gene is epigenetically regulated via histone modification in neonatal offspring in the current model of gestational obesity, and future studies will be needed to determine whether these changes contribute to excessive hepatic lipid accumulation in offspring of obese dams.

Dynamique de la variation génétique et épigénétique chez un vertébré kleptogène

La variation phénotypique est essentielle à la persistance des organismes dans le temps ainsi qu’à la colonisation de nouveaux habitats. Les principales sources de variation phénotypique sont la génétique et l'épigénétique. L'épigénétique a été proposé comme un atout important pour les organismes asexués pour compenser le manque de diversité génétique. L'objectif de cette étude est d'évaluer si l’absence de variation génétique est compensée par l'épigénétique en comparant les profils de méthylation d’individus gynogènes et kleptogènes des hybrides de salamandre à points bleus. Les individus échantillonnés s’organisent en cinq groupes génétiquement différenciés, provenant du même haplome paternel A. jeffersonianum. Deux des cinq groupes sont exclusivement gynogènes, pour des raisons écologiques ou génomiques. Les trois autres groupes sont formés d’individus parfois kleptogènes, car ils présentent une variation génétique plus élevée au sein d’un site qu’entre les sites, en plus de porter des allèles très divergents par rapport à la distribution globale des allèles hybrides, trouvés en haute fréquence dans les populations sympatriques de A. laterale. Les patrons épigénétiques sont variables et distincts entre les cinq groupes génétiques. Les groupes gynogènes sont les seuls à présenter un effet environnemental significatif sur leurs patrons épigénétiques, suggérant que ces individus clonaux doivent être en mesure de maximiser leur potentiel de variation épigénétique pour faire face à des variations environnementales.

Régulation épigénétique de la défense antioxydante et de l'Angiopoietin-like 2 dans le contexte du vieillissement et des maladies cardiovasculaires

Suite à l’exposition à des facteurs de risque incluant la malnutrition, la dyslipidémie, la sédentarité et les désordres métaboliques, les maladies cardiovasculaires (MCV) sont caractérisées par un état pro-oxydant et pro-inflammatoire, et une dérégulation de l’expression de divers facteurs responsables de l’homéostasie de l’environnement rédox et inflammatoire. L’implication d’enzymes antioxydantes telles que les superoxyde dismutases (SOD) et les glutathion peroxydases (Gpx), ainsi que la contribution de médiateurs pro-inflammatoires tels que l’angiopoietin-like 2 (Angptl2) ont été rapportées dans le cadre des MCV. Toutefois, les mécanismes moléculaires sensibles aux facteurs de risque et menant au développement des MCV sont peu connus. L’épigénétique est un mécanisme de régulation de l’expression génique sensible aux stimuli extracellulaires et pourrait donc contribuer au développement des MCV. La méthylation de l’ADN est un des mécanismes épigénétiques pouvant varier tant de manière gène-spécifique qu’à l’échelle génomique, et la conséquence de tels changements sur l’expression des gènes ciblés dépend du site de méthylation. Puisqu’il a été démontré que des variations au niveau de la méthylation de l’ADN peuvent être associées à divers contextes pathologiques incluant les MCV, le but de nos travaux était d’étudier le lien entre la méthylation de gènes antioxydants et pro-inflammatoires avec leurs répercussions fonctionnelles biologiques en présence de facteurs de risques associés aux MCV, tels que le vieillissement, la dyslipidémie et la sédentarité. Dans la première étude, nous avons observé que dans l’artère fémorale de souris vieillissantes, la méthylation au niveau du promoteur du gène Sod2, codant pour l’enzyme antioxydante superoxyde dismutase de type 2 (SOD2 ou MnSOD), diminue avec l’âge. Ceci serait associé à l’induction de l’expression de MnSOD, renforçant ainsi la défense antioxydante endogène. Le vieillissement étant associé à une accumulation de la production de radicaux libres, nous avons étudié la vasodilatation dépendante de l’endothélium qui est sensible au stress oxydant. Nous avons observé que la capacité vasodilatatrice globale a été maintenue chez les souris âgées, aux dépens d’une diminution des facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) et d’une contribution accentuée de la voie du monoxyde d’azote (NO). Nous avons ensuite utilisé deux approches visant à réduire les niveaux de stress oxydant in vivo, soit la supplémentation avec un antioxydant, la catéchine, et l’exposition chronique à de l’exercice physique volontaire. Ces interventions ont permis de prévenir à la fois les changements au niveau de la fonction endothéliale et de l’hypométhylation de Sod2. Cette première étude démontre donc la sensibilité de la méthylation de l’ADN à l’environnement rédox. Dans la deuxième étude, nous avons démontré une régulation de l’expression de l’enzyme antioxydante glutathion peroxydase 1 (Gpx1) en lien avec la méthylation de son gène codant, Gpx1, dans un contexte de dyslipidémie sévère. Nos résultats démontrent que dans le muscle squelettique de souris transgéniques sévèrement dyslipidémiques (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 est hyperméthylé, ce qui diminue l’expression de Gpx1 et affaiblit la défense antioxydante endogène. Chez ces souris, l’exercice physique chronique a permis d’augmenter l’expression de Gpx1 en lien avec une hypométhylation transitoire de son gène. Cette étude démontre que le stress oxydant associé à la dyslipidémie sévère altère les mécanismes de défense antioxydante, en partie via un mécanisme épigénétique. De plus, on observe également que l’exercice physique permet de renverser ces effets et peut induire des changements épigénétiques, mais de manière transitoire. La troisième étude avait pour but d’étudier la régulation de l’Angptl2, une protéine circulante pro-inflammatoire, dans le contexte des MCV. Nous avons observé que chez des patients coronariens, la concentration circulante d’Angptl2 est significativement plus élevée que chez des sujets sains et ce, en lien avec une hypométhylation de son gène, ANGPTL2, mesurée dans les leucocytes circulants. Nous sommes les premiers à démontrer qu’en réponse à l’environnement pro-inflammatoire associé à une MCV, l’expression de l’Angptl2 est stimulée par un mécanisme épigénétique. Nos études ont permis d’identifier des nouvelles régions régulatrices différentiellement méthylées situées dans les gènes impliqués dans la défense antioxydante, soit Sod2 en lien avec le vieillissement et Gpx1 en lien avec la dyslipidémie et l’exercice. Nous avons également démontré un mécanisme de régulation de l’Angptl2 dépendant de la méthylation d’ANGPTL2 et ce, pour la première fois dans un contexte de MCV. Ces observations illustrent la nature dynamique de la régulation épigénétique par la méthylation de l’ADN en réponse aux stimuli environnementaux. Nos études contribuent ainsi à la compréhension et l’identification de mécanismes moléculaires impliqués dans le développement du phénotype pathologique suite à l’exposition aux facteurs de risque, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.

Friedreich Ataxia

Friedreich's ataxia (FRDA) is the most common autosomal recessive hereditary ataxia in Caucasians. Neurological symptoms dominate the clinical picture. The underlying neuropathology affects the dorsal root ganglia, the spinal cord, and the deep cerebellar nuclei. In addition, most cases present a hypertrophic cardiomyopathy that may cause premature death. Other problems include a high risk of diabetes, skeletal abnormalities such as kyphoscoliosis, and pes cavus. Most patients carry a homozygous expansion of GAA trinucleotide repeat within the first intron of the FXN gene, leading to repressed transcription through epigenetic mechanisms. The encoded protein, frataxin, is localized in mitochondria and participates in the biogenesis of iron-sulfur clusters. Frataxin deficiency leads to mitochondrial dysfunction, altered iron metabolism, and oxidative damage. Thanks to progress in understanding pathogenesis and to the development of animal and cellular models, therapies targeted to correct frataxin deficiency or its downstream consequences are being developed and tested in clinical trials.

ENVIRONMENTAL INFLUENCES AND EPIGENETIC MECHANISMS IN RISK FOR DEPRESSION

Thesis (Ph.D, Psychology) -- Queen's University, 2016-10-04 17:37:07.888

The epigenome as a therapeutic target for Parkinson's disease

Parkinson’s disease (PD) is a common, progressive neurodegenerative disease characterised by degeneration of nigrostriatal dopaminergic neurons, aggregation of α-synuclein and motor symptoms. Current dopamine-replacement strategies provide symptomatic relief, however their effectiveness wear off over time and their prolonged use leads to disabling side-effects in PD patients. There is therefore a critical need to develop new drugs and drug targets to protect dopaminergic neurons and their axons from degeneration in PD. Over recent years, there has been robust evidence generated showing that epigenetic dysregulation occurs in PD patients, and that epigenetic modulation is a promising therapeutic approach for PD. This article first discusses the present evidence implicating global, and dopaminergic neuron-specific, alterations in the methylome in PD, and the therapeutic potential of pharmacologically targeting the methylome. It then focuses on another mechanism of epigenetic regulation, histone acetylation, and describes how the histone acetyltransferase (HAT) and histone deacetylase (HDAC) enzymes that mediate this process are attractive therapeutic targets for PD. It discusses the use of activators and/or inhibitors of HDACs and HATs in models of PD, and how these approaches for the selective modulation of histone acetylation elicit neuroprotective effects. Finally, it outlines the potential of employing small molecule epigenetic modulators as neuroprotective therapies for PD, and the future research that will be required to determine and realise this therapeutic potential.

The Trier Social Stress Test: principles and practice

Researchers interested in the neurobiology of the acute stress response in humans require a valid and reliable acute stressor that can be used under experimental conditions. The Trier Social Stress Test (TSST) provides such a testing platform. It induces stress by requiring participants to make an interview-style presentation, followed by a surprise mental arithmetic test, in front of an interview panel who do not provide feedback or encouragement. In this review, we outline the methodology of the TSST, and discuss key findings under conditions of health and stress-related disorder. The TSST has unveiled differences in males and females, as well as different age groups, in their neurobiological response to acute stress. The TSST has also deepened our understanding of how genotype may moderate the cognitive neurobiology of acute stress, and exciting new inroads have been made in understanding epigenetic contributions to the biological regulation of the acute stress response using the TSST. A number of innovative adaptations have been developed which allow for the TSST to be used in group settings, with children, in combination with brain imaging, and with virtual committees. Future applications may incorporate the emerging links between the gut microbiome and the stress response. Future research should also maximise use of behavioural data generated by the TSST. Alternative acute stress paradigms may have utility over the TSST in certain situations, such as those that require repeat testing. Nonetheless, we expect that the TSST remains the gold standard for examining the cognitive neurobiology of acute stress in humans.

Alterations of the epigenome in brain cancer: loss of 5-hydroxymethylcytosine

Abstract : 5-Methylcytosine is an epigenetic mark, which can be oxidized to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in DNA by ten-eleven translocation (TET) oxygenases. It is an initial step in the demethylation of 5mC. Levels of 5hmC is relatively high in the brain compared to other organs, but these levels are known to be significantly reduced during the development of a brain tumor, especially in glioblastoma multiforme (GBM). However, no known mechanisms may fully explain this abnormality. The objectives of my project were to (1) understand the implications of the demethylation pathway mediated by TET, and (2) gain a deeper insight in the epigenetic make-up of brain tumors. (1) U87 cells were incubated with 5mC, 5hmC, 5-formylcytosine (5fC) or co-incubated of 5hmC with 3,4,5,6-tetrahydro-2’-deoxyuridine (dTHU) over a timeline of 0, 24, 48 and 96 hours. (2) 130 brain tumors (GBM= 79; grade II/III= 51) were obtained directly from surgery and immediately suspended in DNA extraction buffer. Both cell samples and tumor tissues underwent DNA extraction and DNA digestion protocols. The percent per cytosine (%/C) was obtained by quantification of 5mC, 5hmC, 5fC, 5-hydroxymethyluracil (5hmU) and 5formyluracil (5fU) using LC-MS/MS. (1) Cellular incubations showed that it is possible to increase levels of 5hmC in DNA, but also a slight increase in 5mC levels throughout the experiment. 5HmC levels dramatically increased by 1.9-fold after 96h. On the other hand, no increase was observed in 5fC levels. Both 5hmC and 5fC incubations were accompanied by high increases in 5hmU and 5fU levels respectively. The addition of dTHU to the 5hmC incubation decreased 5hmU incorporation by 65%. (2) The average levels of 5mC, 5hmC and 5fC, in brain tumors, were 4.0, 0.15 and 0.021 %/C respectively. 5HmU and 5fU levels were present at comparable levels of 5hmC and 5fC. Levels of 5hmC, 5hmU and 5fU were significantly lower in the DNA of GBM specimens. There was a strong correlation between 5mC with 5hmC and 5fC in GBM, but this was absent in low grade tumors. The presence of 5hmU and 5fU in brain tumor and the increase in their levels during cell incubations indicate a deamination activity in these cancerous cells, which may impinge on the cellular levels of 5hmC, in particular. Furthermore, upon the incubations with 5hmC, downstream levels of 5fC did not increase suggesting a TET malfunction. TET activity is maintained in GBMs, but impaired in low grade tumors due to isocitrate dehydrogenase-1 (IDH1) mutations. Therefore, in brain tumors, a strong deamination activity and TET impairment may lead to epigenetic reduction of 5hmC.

Análisis de los cambios epigenéticos en la metilación del DNA inducidos por la diabetes y sus posibles mecanismos

Los cambios epigenéticos son responsables de la aparición de muchas patologías humanas y sus causas son debido a factores ambientales como genéticos. Se ha descrito en enfermedades crónicas como la Diabetes Mellitus tipo 2 (T2DM) que se caracteriza por los estados de hiperglucemia y el incremento en el estrés oxidativo que conlleva a complicaciones micro y macro vasculares, asociado a una desmetilación global del genoma. Nuestra hipótesis corresponde a que los órganos diana son afectados por las alteraciones como la metilación e hidroximetilación como consecuencia del estrés oxidativo que luego repercuten en la persistencia de la enfermedad. Métodos: A partir de sangre periférica se analizaron los cambios globales en la metilación del DNA que son afectados por el estado metabólico de 60 individuos (40 pacientes, 20 controles sanos). Por técnicas de cuantificación se compararon los resultados obtenidos con los de la expresión de las enzimas involucradas. Por último, se realizó un estudio de microarreglos de metilación del DNA y de expresión obtenidos de la base de datos GEO para así comparar los resultados con nuestros datos experimentales. Resultados: Los pacientes diabéticos con pobre control metabólico presentaron mayores niveles de metilación que el grupo control y no se encontró alteración en las enzimas involucradas en este proceso. Los resultados fueron concordantes con el estudio de microarreglos. Conclusión: Los estudios experimentales y de microarreglos demostraron que la metilación es tejido específico y que existe una mayor oxidación en pacientes. Por ello proponemos una vía alterna de desmetilación no enzimática, basada en la oxidación directa de los grupos metilos generados por los estados oxidativos característicos de esta enfermedad.