Moving Beyond GWAS: Exploring the Function of the Gene LIN28B Associated With Pubertal Timing

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5521-4
Title: Moving Beyond GWAS: Exploring the Function of the Gene LIN28B Associated With Pubertal Timing
Author: Leinonen, Jaakko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine
Doctoral Programme in Biomedicin
Institute for Molecular Medicine Finland, (FIMM) University of Helsinki, Helsinki, Finland
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-10
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5521-4
http://hdl.handle.net/10138/305492
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Over the past decade, advances in genetics have led to identification of thousands of genetic loci in the human genome that contribute to complex traits such as the timing of pubertal onset. Following genome-wide association studies (GWAS), we currently know how a large proportion of the heritability of complex traits can be explained by common genetic variation in these loci. However, in many instances, we understand relatively little about the biology behind these genetic associations, and functional characterization of genetic variation has become a new bottleneck for genetic research. Prior to this thesis project, sequence variants nearby lin-28 homolog B (LIN28B) had become associated with pubertal timing in the general population. Remarkably, compared to all other common genetic variants, the variants in the LIN28B locus appeared to exert relatively large effects on pubertal timing: one pubertal timing advancing allele associating with ~1,5 months advancement in age at menarche (AAM) in females. Yet, the gene showed little evidence of affecting the established mechanisms behind pubertal onset. Exploring the molecular mechanisms by which LIN28B affects puberty therefore became the focus of this thesis, which is is founded on three original studies addressing the function of LIN28B. To move beyond the original GWAS results, we first utilized Finnish population cohorts to assess the potential pleiotropy of the gene in terms of body size and adult health. The second original study combined human gene expression data from the GTEx database with zebrafish models, evaluating the consequences of transient dysregulation of lin28b during embryogenesis. For the third study, we first created lin28b knockout zebrafish with CRISPR-Cas9 technology to evaluate the effects of permanent lin28b knockout, and utilized the GTEx data and the UK biobank resource to study whether LIN28B contributes to sex steroid signaling in humans. The results presented in this thesis suggest that LIN28B has pleiotropic actions on vertebrate phenotypes and may contribute to the timing and tempo of human growth in more complex ways than originally thought. Our studies demonstrate that the gene associates with variation in several body size parameters in adult humans, although showing little evidence of affecting metabolism. The results also suggest that the effects that LIN28B has on body size are evolutionarily conserved. Overexpression of lin28b during embryogenesis appears to stimulate zebrafish growth, and, intriguingly, lin28b knockout zebrafish show similar growth patterns as humans that carry sequence variants linked with lower LIN28B expression. Importantly, the data presented in this thesis indicates that the sequence variants associating with pubertal timing affect LIN28B expression mostly in the hypothalamus and the pituitary of adult humans. These changes in the LIN28B expression level may have further consequences: LIN28B expression at the hypothalamic-pituitary (HP) axis seems to correlate positively with the expression of several hormonal genes like ESR1 and POMC. Highlighting the gene’s potential to contribute to sex steroid signaling, we finally associated LIN28B with the regulation of testosterone levels in adult humans, which might be relevant in terms of explaining many of the GWAS associations including pubertal timing. Overall, the results presented in this thesis offer novel insight into LIN28B function in pubertal timing, disease and development, the project simultaneously serving as an example for follow-up studies of GWAS loci in general.Edistysaskeleet genetiikan tutkimuksessa viimeisen kymmen vuoden aikana ovat johtaneet satojen sellaisten perimän kohtien tunnistamiseen, joissa esiintyvä vaihtelu vaikuttaa monitekijäisiin tauteihin ja ominaisuuksiin. Genominlaajuisten assosiaatiotutkimusten (GWAS) ansiosta tiedämme nyt kuinka merkittävä osuus monitekijäisten ominaisuuksien periytyvyydestä selittyy näiden kohtien yhteisvaikutuksella. Biologia näiden geneettisten assosiaatioiden taustalla on kuitenkin huonosti ymmärrettyä. Tarpeesta ymmärtää miten nämä perimän kohdat vaikuttavat eri ominaisuuksiin onkin muodostunut uusi pullonkaula geneettiselle tutkimukselle. Tämä väitöskirja sai alkunsa halusta ymmärtää murrosikään liittyvien GWAS-löydösten taustaa, keskittyen siihen miten LIN28B geenin läheisyydessä sijaitseva perinnöllinen vaihtelu vaikuttaa murrosiän ajoittumiseen ihmisillä. LIN28B valikoitui tutkimuksen kohteeksi erityisesti kahdesta syystä. Ensiksi, geenin lähellä sijaitseva geneettinen vaihtelu näyttää vaikuttavan murrosiän ajoittumiseen enemmän kuin mikään toinen yleinen muutos genomissa: esimerkiksi yksi puberteettia varhaistava alleeli assosioituu n. 1,5 kuukautta varhaisempaan kuukautisten alkamiseen. Toiseksi, geeni ei kuitenkaan näyttänyt kytkeytyvän niihin mekanismeihin, joiden oli osoitettu vaikuttavan murrosiän alkamisen taustalla. Tämä väitöskirja perustuu kolmeen osatyöhön. Ensimmäisessä tutkimuksessa hyödynsimme suomalaisia väestöaineistoja selvittääksemme voisiko LIN28B liittyä laajemminkin kehon koon säätelyyn ja aikuisterveyteen. Toisessa osatyössä yhdistimme ihmisten geeniekspressiodataa seeprakalamallien kanssa, tutkiaksemme miten GWAS tutkimuksissa löydetyt geenivariantit vaikuttivat LIN28B:n ilmentymiseen, ja kuinka sikiöaikainen muuntelu lin28b:n ekspressiomäärässä vaikuttaa kalojen kehitykseen. Kolmannessa osatyössä jatkoimme geeniekspressiodatan analyysiä ja loimme poistogeenisiä lin28b-seeprakalamalleja tutkiaksemme pysyvän lin28b:n hiljentämisen vaikutuksia. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat LIN28B:n vaikuttavan kasvuun ja kehitykseen monin eri tavoin: geeni näyttäisi liittyvän esimerkiksi ihmisten kehon koon säätelyyn luultua monimutkaisemmalla tavalla. Väitöskirjassa esitetyt tulokset tukevat käsitystä LIN28B evoluutiossa säilyneestä roolista selkärankaisten kasvun säätelyssä. Hetkellinen lin28b:n yliekpressio seeprakalan alkioissa näyttäisi stimuloivan kalojen kasvua, siinä missä pysyvä lin28b:n hiljentäminen johtaa samanlaisiin muutoksiin kasvussa kuin ihmisillä joilla on matalampaan LIN28B ekspressiotasoon liittyvä muoto geenistä. Tutkimuksemme osoittavat kuinka sama perimän vaihtelu joka liittyy murrosiän ajoittumiseen LIN28B geenin lähellä, vaikuttaa LIN28B:n ilmentymiseen erityisesti etenkin murrosiän kannalta tärkeissä kudoksissa, hypotalamuksessa ja aivolisäkkeessä. Tällä on mahdollisesti myös toiminnallisia seurauksia: LIN28B ilmentyminen näyttäisi korreloivan useiden hormonaalisten geenien ilmentymisen kanssa. Korostaen geenin mahdollista roolia sukupuolihormoneihin liittyvään signalointiin liittyen, väitöstutkimukseni nostaa esiin erityisesti ESR1- ja POMC-geenit, sekä linkittää LIN28B:n testosteronitasojen säätelyyn aikuisilla, joka voisi selittää osan LIN28B:hen liitetyistä fenotyypeistä. Kaiken kaikkiaan, tutkimusprojektit jotka esitellään kootusti tässä väitöskirjassa, ovat tuoneet lisätietoa siihen miten LIN28B vaikuttaa murrosikään, terveyteen ja yksilönkehitykseen, jonka lisäksi projektimme toimii myös yleisellä tasolla esimerkkinä keinoista joilla tutkia GWAS-löydösten biologista taustaa.
Subject: Lääketieteellinen genetiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
movingbe.pdf 7.447Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record