Effects of prenatal alcohol exposure on the epigenome, gene expression and development

Abstract

Prenatal alcohol exposure affects the developing fetus and causes a wide range of physical and neurological abnormalities. The phenotype is generally described as fetal alcohol spectrum disorders (FASD) which is used as an umbrella term for all disorders caused by prenatal alcohol exposure. To date, the prevalence of FASD ranges from 1-5% in Finland. Even though, a wide range of the phenotypic characteristics have been identified, the underlying molecular mechanisms of FASD have remained unclear. Previous studies have suggested that epigenetic mechanisms represent a link between adverse early-life conditions and health consequences. Since the epigenome has a critical role during embryonic development by mediating the gene-environment interactions, this has raised interest in exploring the epigenetic changes behind FASD. The aim of this thesis was to approach the subject of prenatal alcohol exposure from the epigenetic point of view by exploring the associations between the molecular changes and the phenotypic characteristics. In our investigations of prenatal alcohol exposure, we exploited both a mouse model and human samples.

The results obtained with the mouse model underline the vulnerability of the early embryo to alcohol-induced effects. Genome-wide gene expression analysis of adolescent male hippocampi revealed altered expression of several genes. Moreover, an MRI study of adult male brains in mice revealed asymmetry in the volume of the hippocampi: the left hippocampus was significantly larger than the right in alcohol-exposed offspring. Furthermore, we observed expression changes in growth-related imprinted genes in mouse embryos and placentas.

Our human results highlight the importance of taking into account individual’s genetic characteristics when examining the background behind the alcohol disorder phenotype. We detected a single nucleotide polymorphism rs10732516G/A within the imprinting control region of the Insulin-like growth factor 2 (IGF2)/H19 imprinted locus and investigated the locus in a new way. As a result, we detected genotype-specific DNA methylation changes in the imprinting control region in alcohol-exposed placentas. Furthermore, the most significant finding was genotype-specific changes in the head circumference of the alcohol-exposed newborns.

Raskaudenaikainen alkoholialtistus vaikuttaa sikiön kehitykseen aiheuttaen laajan kirjon niin fyysisiä kuin neurologisia kehityshäiriöitä. Yleisesti sikiövaurioiden kirjoa kuvataan termillä sikiöaikaisen alkoholialtistuksen aiheuttamat oireyhtymät (Fetal Alcohol Spectrum Disorders, FASD). FASD-oireyhtymän esiintyvyydeksi Suomessa on arvioitu 1-5%. Vaikka alkoholi aiheuttaa muutoksia sikiön normaalissa kehityksessä, niin itse taustalla oleva mekanismi on suurelta osin yhä tuntematon. Tämän hetkisten tutkimustulosten mukaan ympäristö vaikuttaisi geenien toimintaan epigeneettisten muutosten kautta jotka näkyisivät muutoksina sikiön kehityksessä. Koska epigenomilla tiedetään olevan merkittävä rooli alkionkehityksen aikana, ja se toimii myös ympäristön ja geenien välisenä säätelijänä, on epigeneettisiä mekanismeja tutkittu myös FASD-oireyhtymän taustalla. Väitöskirjassani tarkastelin raskaudenaikaisen alkoholialtistuksen vaikutuksia epigeneettisestä näkökulmasta. Pyrin selvittämään mitä muutoksia alkoholi sikiön epigenomissa ja genomissa aiheuttaa ja löytämään yhtäläisyyksiä näiden muutosten ja oireyhtymän ilmiasun välillä.

Tutkimuksissani käytin apunani hiirimallia ja ihmisiltä kerättyä aineistoa. Tutkimustulokset hiirimallilla osoittavat, että alkoholialtistus aivan raskauden alussa vaikuttaa merkittävästi sikiön kehitykseen. Alkoholialtistus muutti hippokampuksessa useiden geenien toimintaa ja aiheutti epäsymmetrisyyttä oikean ja vasemman aivopuoliskon välillä: vasen hippokampus oli merkittävästi oikeaa suurempi. Lisäksi alkoholialtistus muutti epigeneettisesti säädeltyjen ja kasvuun vaikuttavien leimautuneiden geenien ilmenemistä alkiossa ja istukassa.

Ihmisillä tehty tutkimus puolestaan korostaa erityisesti geneettisen variaation merkitystä alkoholivaurioiden taustalla. Tutkimuksessa havaitsimme yhden emäksen variaation rs10732516G/A Insuliinikaltainen kasvutekijä 2 (IGF2) /H19 -leimatun geenilokuksen säätelyalueella, ja tutkimme geenilokusta uudesta näkökulmasta jakamalla lapset ryhmiin genotyypin perusteella. Tarkastelemalla alkoholin vaikutusta lokuksen DNA metylaatioihin, havaitsimme, että alkoholin aiheuttamat muutokset säätelyalueen metylaatioprofiilissa riippuivat yksilön genotyypistä. Tämän lisäksi alkoholille altistuneiden vastasyntyneiden päänympärykset poikkesivat merkittävästi toisistaan riippuen geneettisestä variaatioista.