Überwindung von Hindernissen bei der epigenetischen Analyse menschlicher Zwillinge (Epitwin)

Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) sind die häufigste Todesursache in den USA, was ein unvollständiges Verständnis ihrer Pathologie und deren Umsetzung in wirksame Interventionen unterstreicht. Die Hypothese des fetalen Ursprungs geht davon aus, dass das Risiko einer kardiovaskulären Erkrankung teilweise im Uterus festgelegt wird. Individuelle Unterschiede in der epigenetischen DNA-Methylierung sind ein führender möglicher Mechanismus zur Erklärung des Zusammenhangs zwischen CVD-Risiko und der fötalen Umgebung. Tatsächlich wurden Unterschiede in der DNA-Methylierung mit der Pathogenese von CVD und seinen Risikofaktoren in Verbindung gebracht. Frühere Studien an Ratten haben eine bestimmte Klasse epigenetischer Loci charakterisiert, die als metastabile Epiallele (MEs) bekannt sind. Die Methylierung der DNA in utero kann eine Reaktion auf nicht-genetische Faktoren sein, und der Grad der Hypo- oder Hypermethylierung bleibt während der gesamten Lebensdauer stabil. Studien an Mäusen haben ferner gezeigt, dass die Methylierung dramatische und dauerhafte phänotypische Auswirkungen hat. In neueren Studien wurden über 100 humane MEs identifiziert. Mehrere dieser Loci wurden mit Phänotypen in Verbindung gebracht, die mit dem CVD-Risiko zusammenhängen.

Die Forscher müssen nun die phänotypischen Folgen der interindividuellen Variation der DNA-Methylierung bei menschlichen MEs bestimmen. Studien an Inzuchtmäusen haben maßgeblich gezeigt, dass es nicht genetische Einflüsse auf die Etablierung der Methylierung bei MEs gibt. Zwillingsstudien, typischerweise unter Verwendung von Speichel oder peripheren Blutzellen (PBCs), wurden verwendet, um zu beurteilen, ob individuelle epigenetische Variationen beim Menschen durch nicht-genetische Faktoren beeinflusst werden. Tatsächlich werden bei der Übertragung epigenetischer Befunde von Mäusen auf Menschen monozygote (MZ; genetisch identische) Zwillinge gemeinhin als das menschliche Äquivalent zu isogenen Mäusen angesehen. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen MZ-Zwillingen und isogenen Mäusen. Während jeder Wurfgeschwister einer Inzuchtmaus seine eigene Plazenta hat, teilen sich etwa 75 % der MZ-Zwillinge eine einzige Plazenta (Monochorionizität) und haben daher während der fötalen Entwicklung eine vermischte Zirkulation. Es ist daher wichtig zu bestimmen, ob die resultierende "Kreuzbestäubung" von hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) dazu führt, dass die periphere Blut- (und Speichel-) DNA von zwei monochorialen MZ-Zwillingen epigenetisch ähnlicher ist als die anderer somatischer Gewebe. Die genaue Quantifizierung der epigenetischen Auswirkungen der perikonzeptionellen Ernährung in Zwillingsstudien und damit die Bereitstellung zukünftiger Interventionsziele zur Verringerung des CVD-Risikos bei den Nachkommen wird wahrscheinlich Analysen der DNA-Methylierung in anderen Geweben als Speichel oder peripheren Blutzellen erfordern.

Die Ermittler müssen prüfen, ob Vergleiche zwischen monozygoten und dizygoten Zwillingen ohne Rücksicht auf die Plazenta-Teilung in utero (Chorionizität) ein geeignetes Modell für zukünftige Arbeiten sind, die ME-Loci charakterisieren und ihre Assoziationen mit phänotypischen Konsequenzen herstellen werden. Das Säuglingsalter ist der ideale Zeitpunkt, um den Zusammenhang zwischen MEs und kardiovaskulären Faktoren zu untersuchen, da es den frühesten Zeitpunkt für die Risikovorhersage und -intervention bietet. Daher planen die Forscher für diese Studie, 40 Zwillingspaare im Alter von unter 4 Monaten zu rekrutieren, um leichter verfügbare Gewebe für epigenetische Analysen zu identifizieren als Haarfollikel (die zuvor als Alternative zu PBCs oder Speichel verwendet wurden). Das Zupfen von Haarfollikeln von Säuglingen ist für die Teilnehmer zu belastend, um die großen Proben zu sammeln, die für zukünftige Analysen bestimmt sind.

Zusammenfassung: Studien an Ratten belegen, dass die mütterliche Ernährung zum Zeitpunkt der Empfängnis epigenetische Mechanismen verändern kann, die Fettleibigkeit beeinflussen, und Fettleibigkeit selbst ein starker CVD-Risikofaktor ist. Diese Beziehung wird durch die frühe embryonale Methylierung an metastabilen Allelen vermittelt. Nach der Identifizierung von über 100 MEs beim Menschen, von denen viele mit Fettleibigkeit oder anderen CVD-Risikofaktoren in Verbindung gebracht werden, sind die Forscher nun bereit, Studien durchzuführen, um zu untersuchen, ob die perikonzeptionelle Ernährung das CVD-Risiko über Methylierung beeinflusst. Forscher versuchen, diese Arbeit zu MEs auf menschliche Populationen zu übertragen, da sie auf ein bedeutendes CVD-Risiko hindeutet. Darüber hinaus wollen Forscher die Bedeutung der Chorionizität als Faktor bei epigenetischen Analysen von MZ-Zwillingen etablieren und ein neues Gewebe für solche Studien validieren.

Ziel 1: Validieren von Nagelschnitten als akzeptable DNA-Quelle für die Studie für menschliche MEs Hypothese 1: Bei MEs korreliert die DNA-Methylierung in Nagelschnitten von Säuglingen (die leicht gesammelt werden können) stark mit der in Haarfollikeln, Urin und Wangenabstrichen.

Ziel 2: Vergleich der epigenetischen Diskordanz bei MEs bei monochorialen vs. dichorialen MZ-Zwillingen Hypothese 2: Bei MEs zeigen dichoriale MZ-Zwillingspaare (mit getrennten Plazenten) eine größere epigenetische Unähnlichkeit in PBCs als monochoriale MZ-Zwillingspaare (die eine Plazenta teilen), aber nicht in anderen Geweben.