ENVIRONMENTAL INFLUENCES AND EPIGENETIC MECHANISMS IN RISK FOR DEPRESSION

Genetic and environmental factors interact to influence vulnerability for internalizing psychopathology, including Major Depressive Disorder (MDD). The mechanisms that account for how environmental stress can alter biological systems are not yet well understood yet are critical to develop more accurate models of vulnerability and targeted interventions. Epigenetic influences, and more specifically, DNA methylation, may provide a mechanism by which stress could program gene expression, thereby altering key systems implicated in depression, such as frontal-limbic circuitry and its critical role in emotion regulation. This thesis investigated the role of environmental factors from infancy and throughout the lifespan affecting the serotonergic (5-HT) system in the vulnerability to and treatment of depression and anxiety and potential underlying DNA methylation processes. First, we investigated the contributions of additive genetic vs. environmental factors on an early trait phenotype for depression (negative emotionality) in infants and their stability over time in the first 2 years of life. We provided evidence of the substantial contributions of both genetic and shared environmental factors to this trait, as well as genetically- and environmentally- mediated stability and innovation. Second, we studied how childhood environmental stress is associated with peripheral DNA methylation of the serotonin transporter gene, SLC6A4, as well as long-term trajectories of internalizing behaviours. There was a relationship between childhood psychosocial adversity and SLC6A4 methylation in males, as well as between SLC6A4 methylation and internalizing trajectory in both sexes. Third, we investigated changes in emotion processing and epigenetic modification of the SLC6A4 gene in depressed adolescents before and after Mindfulness-Based Cognitive Therapy (MBCT). The alterations from pre- to post-treatment in connectivity between the ACC and other network regions and SLC6A4 methylation suggested that MBCT may work to optimize the connectivity of brain networks involved in cognitive control of emotion as well as also normalize the relationship between SLC6A4 methylation and activation patterns in frontal-limbic circuitry. Our results from these three studies strengthen the theory that environmental influences are critical in establishing early vulnerability factors for MDD, driving epigenetic processes, and altering brain processes as an individual undergoes treatment, or experiences relapse.

De novo methylation of tumor suppressor gene p16/INK4a is a frequent finding in multiple myeloma patients at diagnosis.

The p16 gene competes with cyclin D for binding to CDK4/CDK6 and therefore inhibits CDK4/6 complex kinase activity, resulting in dephosphorylation of pRb and related G1 growth arrest. Inactivation of this gene has been involved in a variety of tumors by different mechanisms: homozygous/hemyzygous deletions, point mutations and methylation of a 5' CpG island into exon E1alpha of the p16 gene. Homozygous deletions have been rarely found in multiple myeloma (MM) and no point mutations have been reported. Two recent studies have reported a high prevalence of methylation in the exon E1alpha of the p16 gene, but included only a small number of cases. We have analyzed the methylation pattern of exon E1alpha of the p16 gene in 101 untreated MM and five primary plasma cell leukemias (PCL). A PCR assay, relying on the inability of some restriction enzymes to digest methylated sequences, was used to analyze the methylation status. Southern blot analysis was used to confirm these results. Forty-one of 101 MM patients (40.5%) as well as four of the five (80%) primary PCL patients had shown methylation of the exon E1alpha. Our study confirms that hypermethylation of the p16 gene is a frequent event in MM. Leukemia (2000) 14, 183-187.

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.

DNA demethylation during Chrysanthemum floral transition following short-day treatment

Background: Analytical techniques such as methylation-sensitive amplification polymorphism and high-performance liquid chromatography were used to detect variation in DNA methylation of mature Chrysanthemum leaves during the floral transition induced by short-day (SD) treatment. Results: For both early- and late-flowering cultivars, the time from the date of planting to the appearance of the capitulum bud and early blooming were significantly shorter than those of the control. The capitulum development of the early-flowering cultivar was significantly accelerated compared to the control, unlike the late-flowering cultivar. The DNA methylation percentage of leaves was significantly altered during flower development. For the early-flowering cultivar, DNA methylation was 42.2–51.3% before the capitulum bud appeared and 30.5–44.5% after. The respective DNA methylation percentages for the late-flowering cultivar were 43.5–56% and 37.2–44.9%. Conclusions: The DNA methylation percentage of Chrysanthemum leaves decreased significantly during floral development. The decline in DNA methylation was elevated in the early-flowering cultivar compared with the late-flowering cultivar.

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.

Epigenetic regulation in neural crest development : role of DNA methyltransferases 3A and 3B

The neural crest is a group of migratory, multipotent stem cells that play a crucial role in many aspects of embryonic development. This uniquely vertebrate cell population forms within the dorsal neural tube but then emigrates out and migrates long distances to different regions of the body. These cells contribute to formation of many structures such as the peripheral nervous system, craniofacial skeleton, and pigmentation of the skin. Why some neural tube cells undergo a change from neural to neural crest cell fate is unknown as is the timing of both onset and cessation of their emigration from the neural tube. In recent years, growing evidence supports an important role for epigenetic regulation as a new mechanism for controlling aspects of neural crest development. In this thesis, I dissect the roles of the de novo DNA methyltransferases (DNMTs) 3A and 3B in neural crest specification, migration and differentiation. First, I show that DNMT3A limits the spatial boundary between neural crest versus neural tube progenitors within the neuroepithelium. DNMT3A promotes neural crest specification by directly mediating repression of neural genes, like Sox2 and Sox3. Its knockdown causes ectopic Sox2 and Sox3 expression at the expense of neural crest territory. Thus, DNMT3A functions as a molecular switch, repressing neural to favor neural crest cell fate. Second, I find that DNMT3B restricts the temporal window during which the neural crest cells emigrate from the dorsal neural tube. Knockdown of DNMT3B causes an excess of neural crest emigration, by extending the time that the neural tube is competent to generate emigrating neural crest cells. In older embryos, this resulted in premature neuronal differentiation. Thus, DNMT3B regulates the duration of neural crest production by the neural tube and the timing of their differentiation. My results in avian embryos suggest that de novo DNA methylation, exerted by both DNMT3A and DNMT3B, plays a dual role in neural crest development, with each individual paralogue apparently functioning during a distinct temporal window. The results suggest that de novo DNA methylation is a critical epigenetic mark used for cell fate restriction of progenitor cells during neural crest cell fate specification. Our discovery provides important insights into the mechanisms that determine whether a cell becomes part of the central nervous system or peripheral cell lineages.

ENVIRONMENTAL INFLUENCES AND EPIGENETIC MECHANISMS IN RISK FOR DEPRESSION

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

Integrated genomic characterization of endometrial carcinoma

We performed an integrated genomic, transcriptomic and proteomic characterization of 373 endometrial carcinomas using array- and sequencing-based technologies. Uterine serous tumours and ∼25% of high-grade endometrioid tumours had extensive copy number alterations, few DNA methylation changes, low oestrogen receptor/progesterone receptor levels, and frequent TP53 mutations. Most endometrioid tumours had few copy number alterations or TP53 mutations, but frequent mutations in PTEN, CTNNB1, PIK3CA, ARID1A and KRAS and novel mutations in the SWI/SNF chromatin remodelling complex gene ARID5B. A subset of endometrioid tumours that we identified had a markedly increased transversion mutation frequency and newly identified hotspot mutations in POLE. Our results classified endometrial cancers into four categories: POLE ultramutated, microsatellite instability hypermutated, copy-number low, and copy-number high. Uterine serous carcinomas share genomic features with ovarian serous and basal-like breast carcinomas. We demonstrated that the genomic features of endometrial carcinomas permit a reclassification that may affect post-surgical adjuvant treatment for women with aggressive tumours.

EUELC project : a multi-centre, multipurpose study to investigate early stage NSCLC, and to establish a biobank for ongoing collaboration

The European Early Lung Cancer (EUELC) project aims to determine if specific genetic alterations occurring in lung carcinogenesis are detectable in the respiratory epithelium. In order to pursue this objective, nonsmall cell lung cancer (NSCLC) patients with a very high risk of developing progressive lung cancer were recruited from 12 centres in eight European countries: France, Germany, southern Ireland, Italy, the Netherlands, Poland, Spain and the UK. In addition, NSCLC patients were followed up every 6 months for 36 months. A European Bronchial Tissue Bank was set up at the University of Liverpool (Liverpool, UK) to optimise the use of biological specimens. The molecular - pathological investigations were subdivided into specific work packages that were delivered by EUELC Partners. The work packages encompassed mutational analysis, genetic instability, methylation profiling, expression profiling utilising immunohistochemistry and chip-based technologies, as well as in-depth analysis of FHIT and RARβ genes, the telomerase catalytic subunit hTERT and genotyping of susceptibility genes in specific pathways. The EUELC project engendered a tremendous collaborative effort, and it enabled the EUELC Partners to establish protocols for assessing molecular biomarkers in early lung cancer with the view to using such biomarkers for early diagnosis and as intermediate end-points in future chemopreventive programmes. Copyright©ERS Journals Ltd 2009.

Hairpin RNAs derived from RNA polymerase II and polymerase III promoter-directed transgenes are processed differently in plants

RNA polymerase III (Pol III) as well as Pol II (35S) promoters are able to drive hairpin RNA (hpRNA) expression and induce target gene silencing in plants. siRNAs of 21 nt are the predominant species in a 35S Pol II line, whereas 24- and/or 22-nucleotide (nt) siRNAs are produced by a Pol III line. The 35S line accumulated the loop of the hpRNA, in contrast to full-length hpRNA in the Pol III line. These suggest that Pol II and Pol III-transcribed hpRNAs are processed by different pathways. One Pol III transgene produced only 24-nt siRNAs but silenced the target gene efficiently, indicating that the 24-nt siRNAs can direct mRNA degradation; specific cleavage was confirmed by 59 rapid amplification of cDNA ends (RACE). Both Pol II- and Pol III-directed hpRNA transgenes induced cytosine methylation in the target DNA. The extent of methylation is not correlated with the level of 21-nt siRNAs, suggesting that they are not effective inducers of DNA methylation. The promoter of a U6 transgene was significantly methylated, whereas the promoter of the endogenous U6 gene was almost free of cytosine methylation, suggesting that endogenous sequences are more resistant to de novo DNA methylation than are transgene constructs. Published by Cold Spring Harbor Laboratory Press. Copyright © 2008 RNA Society.

Mobile silencing in plants: what is the signal and what defines the target

RNA-mediated silencing in plants can spread from cell to cell and over a long distance, and such mobile silencing has been extensively studied in the past decade. However, major questions remain as to what is the exact nature of the mobile silencing signals, how the components of the RNA-directed DNA methylation pathway are involved, and why systemic spread of silencing has only been observed for transgenes but not endogenous genes. In this review, we provide an overview of the current knowledge on mobile gene silencing in plants and present a model where systemic silencing involves long nuclear RNA transcripts that serve as a template to amplify primary siRNA signals.

Application of gene silencing in plants

Recent studies of gene silencing in plants have revealed two RNA-mediated epigenetic processes, RNA-directed RNA degradation and RNA-directed DNA methylation. These natural processes have provided new avenues for developing high-efficiency, high-throughput technology for gene suppression in plants.

Application of gene silencing in plants

Recent studies of gene silencing in plants have revealed two RNA-mediated epigenetic processes, RNA-directed RNA degradation and RNA-directed DNA methylation. These natural processes have provided new avenues for developing high-efficiency, high-throughput technology for gene suppression in plants.