Structure of the imprinted mouse Snrpn gene and establishment of its parental-specific methylation pattern

The mouse Snrpn gene encodes the Smn protein, which is involved in RNA splicing. The gene maps to a region in the central part of chromosome 7 that is syntenic to the Prader–Willi/Angelman syndromes (PWS-AS) region on human chromosome 15q11-q13. The mouse gene, like its human counterpart, is imprinted and paternally expressed, primarily in brain and heart. We provide here a detailed description of the structural features and differential methylation pattern of the gene. We have identified a maternally methylated region at the 5′ end (DMR1), which correlates inversely with the Snrpn paternal expression. We also describe a region at the 3′ end of the gene (DMR2) that is preferentially methylated on the paternal allele. Analysis of Snrpn mRNA levels in a methylase-deficient mouse embryo revealed that maternal methylation of DMR1 may play a role in silencing the maternal allele. Yet both regions, DMR1 and DMR2, inherit the parental-specific methylation profile from the gametes. This methylation pattern is erased in 12.5-days postcoitum (dpc) primordial germ cells and reestablished during gametogenesis. DMR1 is remethylated during oogenesis, whereas DMR2 is remethylated during spermatogenesis. Once established, these methylation patterns are transmitted to the embryo and maintained, protected from methylation changes during embryogenesis and cell differentiation. Transfections of DMR1 and DMR2 into embryonic stem cells and injection into pronuclei of fertilized eggs reveal that embryonic cells lack the capacity to establish anew the differential methylation pattern of Snrpn. That all PWS patients lack DMR1, together with the overall high resemblance of the mouse gene to the human SNRPN, offers an excellent experimental tool to study the regional control of this imprinted chromosomal domain.

Controle epigenético do gene imprinted SNRPN durante o desenvolvimento e reprogramação nuclear em equídeos

A tranferência nuclear de células somáticas (TNCS) está sendo utilizada para produzir cavalos de elite. No entanto, durante este procedimento pode ocorrer a perfuração da zona pelúcida, levando, ocasionalmente, à secção da massa celular interna, e conseqüente derivação de gêmeos monozigóticos. Além de serem relatadas alterações no processo de imprinting genômico, que conduzem ao desenvolvimento de doenças. Com a descoberta da possibilidade de reprogramar as células somáticas a um estado de pluripotência (iPSCs), estas células passaram a ser muito utilizadas em pesquisas de neurociência. Contudo, também ocorrem modificações epigenéticas durante esta reprogramação celular. Portanto, nossas hipóteses são que os gêmeos eqüinos gerados pela TNCS podem levar às irregularidades no desenvolvimento do sistema nervoso. O padrão de metilação do SNRPN nas estruturas dos fetos muares clonados, e as células iPSCs são diferentes dos padrões encontrados nos muares analisados. A expressão dos genes SNRPN, Necdin e UBE3A são maiores no cérebro, enquanto a expressão do H19 é maior nas membranas extra-embrionárias. Em nosso estudo, obtivemos duas gestações gemelares equinas derivadas da TNCS, que foram interrompidas com 40 e 60 dias de gestação, e comparados com gestações eqüinas únicas de idade similar. Diferenças no comprimento entre os embriões gêmeos foram observadas aos 40 (2.0 e 2.2 cm 10%) e aos 60 (6,5 e 8,5 cm 24%) dias de gestação. Somente o plexo coróide do quarto ventrículo apresentou-se mais desenvolvido nos fetos com maior comprimento. Ao analisarmos fetos muares clonados em diferentes idades gestacionais e compará-los com muares, nos períodos embrionário, fetal e adulto, não foi observada diferença no padrão de metilação do gene SNRPN. No entanto, na décima passagem das células iPSC o padrão de metilação alterou, em relação aos muares estudados e ao padrão observado nos fibroblastos. Ao analisarmos os fetos clonados nas diferentes idades gestacionais observou-se no cérebro menor expressão dos gene H19 e UBE3A, e maior expressão do gene SNRPN. Contudo, a expressão do gene Necdin variou entre as estruturas estudadas. Em conclusão, apesar dos gêmeos eqüinos provenientes de TNCS diferirem quanto ao tamanho, morfologicamente são iguais. Dentre as estruturas cerebrais o plexo coróide se apresentou mais desenvolvido nos fetos de maior comprimento. Os fetos muares clonados não apresentaram diferença no padrão de metilação do gene SNRPN. No entanto, as iPSCs apresentaram alteração no padrão de metilação deste gene na décima passagem. Embora os genes SNRPN, Necdin e UBE3A sejam expressos no cérebro, o SNRPN apresentou-se prevalente nessa estrutura

Análisis comparativo de tres técnicas de derivación de células madre

Las células madre embrionarias (Embryonic Stem Cells; ESC) son células pluripotentes que presentan la capacidad de dividirse indefinidamente a la vez que mantienen la habilidad para diferenciarse a cualquier tipo celular. Aunque de manera rutinaria se derivan a partir de la masa celular interna de embriones en estadio de blastocisto, también pueden derivarse a partir de embriones en estadios precompactacionales y de embriones reconstruidos por procesos de transferencia nuclear. Debido a que durante el desarrollo embrionario temprano, momento en el que se derivan las ESC, tienen lugar profundos cambios de metilación en el genoma, tanto la derivación como el cultivo se consagran como técnicas que pueden alterar los patrones de metilación en genes regulados por impronta genómica. Con el objetivo de analizar la estabilidad epigenética de embriones preimplantacionales y ESC murinas, en este trabajo se ha optimizado un protocolo de anàlisis de los niveles de metilación mediante pirosecuenciación. Para ello se han seleccionado tres genes regulados por impronta genómica (H19/Igf2, Snrpn and Peg3), dos genes relacionados con el mantenimiento de pluripotencia en ESC (Oct4, Nanog y Sox2) y dos genes marcadores de diferenciación temprana (Cdx2 y Gata6). Nuestros resultados muestran que algunos grupos de embriones preimplantacionales presentan una hipo e hipermetilación en las regiones diferencialmente metiladas (Differentially Methylated Regions, DMRs) de los genes Snrpn y Peg3. Además, la línea de ESC analizada presentó anomalías en los tres genes regulados por impronta genómica. No obstante, el hecho de que esta línea fuera inestable a nivel cariotípico no permite establecer una relación entre el cultivo in vitro o la técnica de derivación y la inestabilidad epigenética demostrada. Por todo esto, parece pertinente analizar tanto la integridad epigenética como la estabilidad cromosómica de ESC antes de proceder a realizar ensayos clínicos en humanos.

Study of imprinted genes in bovine embryos produced by assisted reproductive technologies

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Developmental and Epigenetic Anomalies in Cloned Cattle

Many of the developmental anomalies observed in cloned animals are related to foetal and placental overgrowth, a phenomenon known as the 'large offspring syndrome' (LOS) in ruminants. It has been hypothesized that the epigenetic control of imprinted genes, that is, genes that are expressed in a parental-specific manner, is at the root of LOS. Our recent research has focused on understanding epigenetic alterations to imprinted genes that are associated with assisted reproductive technologies (ART), such as early embryo in vitro culture (IVC) and somatic cell nuclear transfer (SCNT) in cattle. We have sought and identified single nucleotide polymorphisms in Bos indicus DNA useful for the analysis of parental-specific alleles and their respective transcripts in tissues from hybrid embryos derived by crossing Bos indicus and Bos taurus cattle. By analysing differentially methylated regions (DMRs) of imprinted genes SNRPN, H19 and the IGF2R in cattle, we demonstrated that there is a generalized hypomethylation of the imprinted allele and the biallelic expression of embryos produced by SCNT when compared to the methylation patterns observed in vivo (artificially inseminated). Together, these results indicate that imprinting marks are erased during the reprogramming of the somatic cell nucleus during early development, indicating that such epigenetic anomalies may play a key role in mortality and morbidity of cloned animals.

Der Einfluss assistierter Reproduktionstechniken auf die epigenetische Reprogrammierung in der fruehen Embryogenese und Gametogenese im Mausmodell

Seit der Geburt von Louise J. Brown (1978) als erstem künstlich erzeugtem Kind hat sich die Nachfrage nach assistierten Reproduktionstechniken (ART) stark erhöht. Der Anteil der nach In-vitro-Fertilisation (IVF) oder Intrazytoplasmatischer Spermieninjektion (ICSI) geborenen Kinder macht mittlerweile abhängig vom betrachteten Industrieland zwischen 1-4% an der Gesamtgeburtenzahl aus. In zahlreichen Studien korreliert eine erhöhte Prävalenz für seltene Imprinting-Erkrankungen, wie z.B. Beckwith-Wiedemann oder Angelman-Syndrom, mit der Geburt nach assistierten Reproduktionstechniken. Es ist bekannt, dass die medizinischen Interventionen zur Behandlung von Sub- und Infertilität in sehr sensitive Phasen der epigenetischen Reprogrammierung des Embryos und der Keimzellen eingreifen. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob die ovarielle Stimulation einen Einfluss auf die epigenetische Integrität von geprägten Genen in murinen Präimplantationsembryonen hat. Die in diesem Zusammenhang entwickelte digitale Bisulfitpyrosequenzierung gewährleistet die Analyse der DNA-Methylierung auf Einzelallelebene durch eine adäquate Verdünnung der Probe im Vorfeld der PCR. Die ovarielle Induktion führte zu einem erhöhten Rate an Epimutationen des paternalen H19-Allels, sowie des maternalen Snrpn-Allels. Zudem konnte festgestellt werden, dass die Expression von drei potentiellen Reprogrammierungsgenen (Apex1, Polb, Mbd3) in Embryonen aus hormonell stimulierten Muttertieren dereguliert ist. Whole-Mount Immunfluoreszenzfärbungen für APEX1 korrelierten dessen differentielle Genexpression mit dem Proteinlevel. Anzeichen früher apoptotischer Vorgänge äußerten sich in Embryonen aus hormonell induzierten Muttertieren in der hohen Rate an Embryonen, die keines der drei Transkripte exprimierten oder weniger APEX1-positive Blastomeren aufwiesen.In einer weiteren Fragestellung wurde untersucht, ob die Kryokonservierung muriner Spermatozoen den epigenetischen Status geprägter Gene in den Keimzellen beeinflusst. Die Analyse von F1-Zweizellembryonen, die durch IVF mit den jeweiligen Spermatozoen eines Männchens generiert wurden, diente der Aufklärung möglicher paternaler Transmissionen. Insgesamt konnten keine signifikanten Auswirkungen der Kryokonservierung auf den epigenetischen Status in Spermatozoen und F1-Embryonen ermittelt werden.

Veränderungen der DNA-Methylierung in Patienten mit AHCY-Defizienz

Die S-adenosyl-L-Homocysteinhydrolase (AHCY)-Defizienz ist eine seltene autosomal rezessive Erbkrankheit, bei der Mutationen im AHCY-Gen die Funktionsfähigkeit des kodierten Enzyms beeinträchtigen. Diese Krankheit führt zu Symptomen wie Entwicklungsverzögerungen, mentaler Retardierung und Myopathie. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der AHCY-Defizienz auf die Methylierung der DNA in Blutproben und Fibroblasten von Patienten mit AHCY-Defizienz, sowie in HEK293- und HepG2-Zelllinien mit AHCY-Knockdown untersucht. Der gesamtgenomische Methylierungsstatus wurde mit Hilfe des MethylFlash ™ Methylated DNA Quantification Kit (Epigentek) bei drei Patienten-Blutproben festgestellt. In den Blutproben von sieben Patienten und Fibroblasten von einem Patienten wurde die Methylierung von DMRs sieben geprägter Gene (GTL2, H19, LIT1, MEST, NESPAS, PEG3, SNRPN) und zwei repetitiver Elemente (Alu, LINE1) mittels Bisulfit-Pyrosequenzierung quantifiziert und durch High Resolution Melting-Analyse bestätigt. Zusätzlich wurde eine genomweite Methylierungsanalyse mit dem Infinium® HumanMethylation450 BeadChip (Illumina) für vier Patientenproben durchgeführt und die Expression von AHCY in Fibroblasten mittels Expressions-qPCR und QUASEP-Analyse untersucht. Die Methylierungsanalysen ergaben eine Hypermethylierung der gesamtgenomischen DNA und stochastische Hypermethylierungen von DMRs geprägter Gene bei einigen Patienten. Die HEK293- und HepG2-Zelllinien wiesen dagegen hauptsächlich stochastische Hypomethylierungen an einigen DMRs geprägter Gene und LINE1-Elementen auf. Die genomweite Methylierungsarray-Analyse konnte die Ergebnisse der Bisulfit-Pyrosequenzierung nicht bestätigen. Die Expressionsanalysen der AHCY-defizienten Fibroblasten zeigten eine verminderte Expression von AHCY, wobei beide Allele etwa gleich stark transkribiert wurden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die AHCY-Defizienz eine gute Modellerkrankung für die Untersuchung biologischer Konsequenzen von Methylierungsstörungen im Rahmen der Epigenetik-Forschung sein könnte. Sie ist unseres Wissens die erste monogene Erkrankung mit symptomaler DNA-Hypermethylierung beim Menschen.

A model system to study genomic imprinting of human genes

Somatic-cell hybrids have been shown to maintain the correct epigenetic chromatin states to study developmental globin gene expression as well as gene expression on the active and inactive X chromosomes. This suggests the potential use of somatic-cell hybrids containing either a maternal or a paternal human chromosome as a model system to study known imprinted genes and to identify as-yet-unknown imprinted genes. Testing gene expression by using reverse transcription followed by PCR, we show that functional imprints are maintained at four previously characterized 15q11–q13 loci in hybrids containing a single human chromosome 15 and at two chromosome 11p15 loci in hybrids containing a single chromosome 11. In contrast, three γ-aminobutyric acid type A receptor subunit genes in 15q12–q13 are nonimprinted. Furthermore, we have found that differential DNA methylation imprints at the SNRPN promoter and at a CpG island in 11p15 are also maintained in somatic-cell hybrids. Somatic-cell hybrids therefore are a valid and powerful system for studying known imprinted genes as well as for rapidly identifying new imprinted genes.

Minimal definition of the imprinting center and fixation of chromosome 15q11-q13 epigenotype by imprinting mutations.

Patients with disorders involving imprinted genes such as Angelman syndrome (AS) and Prader-Willi syndrome (PWS) can have a mutation in the imprinting mechanism. Previously, we identified an imprinting center (IC) within chromosome 15q11-ql3 and proposed that IC mutations block resetting of the imprint, fixing on that chromosome the parental imprint (epigenotype) on which the mutation arose. We now describe four new microdeletions of the IC, the smallest (6 kb) of which currently defines the minimal region sufficient to confer an AS imprinting mutation. The AS deletions all overlap this minimal region, centromeric to the PWS microdeletions, which include the first exon of the SNRPN gene. None of five genes or transcripts in the 1.0 Mb vicinity of the IC (ZNF127, SNRPN, PAR-5, IPW, and PAR-1), each normally expressed only from the paternal allele, was expressed in cells from PWS imprinting mutation patients. In contrast, AS imprinting mutation patients show biparental expression of SNRPN and IPW but must lack expression of the putative AS gene 250-1000 kb distal of the IC. These data strongly support a model in which the paternal chromosome of these PWS patients carries an ancestral maternal epigenotype, and the maternal chromosome of these AS patients carries an ancestral paternal epigenotype. The IC therefore functions to reset the maternal and paternal imprints throughout a 2-Mb imprinted domain within human chromosome 15q11-q13 during gametogenesis.