Genetic determinants of inter-individual variations in DNA methylation

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-309637
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.30963

Wimmer, Julia

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Date of publication of this fulltext: 06 May 2016 12:00

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	6 May 2016
Referee:	Prof. Dr. Michael Rehli
Date of exam:	4 November 2014
Institutions:	Medicine > Lehrstuhl für Innere Medizin III (Hämatologie und Internistische Onkologie)
Keywords:	epigenetics, DNA methylation, mouse
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	30963

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Abstract (English)

Abstract (English)

DNA methylation and histone modifications are epigenetic mechanisms that affect the chromatin structure and thus the readout of the underlying DNA sequence. Hence, variations in the DNA methylation profiles of individuals may contribute to phenotypic differences and disease susceptibility. However, the extent of such epigenetic variations is unclear. With regard to DNA methylation, little is known on how these differences are established or inherited.
This thesis was concerned with elucidating the role that genetic determinants play in maintaining specific DNA methylation patterns. Two common inbred mouse strains (C57BL/6 and BALB/c) were used to address inter-individual variations in DNA methylation. Little is known about trans-acting epigenetic modifiers that control the epiphenotype at distinct target loci. Therefore the presented work focussed primarily on the identification of the trans-acting epigenetic modifier regulating the strain-specific DNA methylation pattern at the Isoc2b promoter. It could be demonstrated that the DMR is established during early embryonic development in BALB/c, but not in C57BL/6. The DMR could further be found in other inbred mouse strains. Using embryonic stem (ES) cell differentiation models, the strain-specific DNA methylation patterns were also detectable in vitro. Linkage analysis in C;B6 backcrosses narrowed down the genomic localization of the modifier to a highly repetitive 9 MB region on chromosome 12. To further characterize the epigenetic modifier gene, complementation assays with BAC clones covering the candidate regions as well as expression analyses (RNA-seq) in the in vitro ES cell differentiation models were performed. The latter identified Nol10 as a candidate gene to propagate the observed strain-specific epiphenotypes. Additionally, novel candidate DMRs based on strain-specific patterns of active histone modifications were selected and validated to identify additional trans-regulated DMRs. In future, the investigation of DMRs will be extended, since to date only novel cis-regulated DMRs have been discovered.
Further characterization of the potential epigenetic modifier Nol10 might provide fundamental insights into mechanisms that establish DNA methylation patterns during embryonic development and how inter-individual differences can be introduced.

Translation of the abstract (German)

Epigenetische Mechanismen, wie DNA-Methylierung und die post-translationale Modifikation von Histonen, beeinflussen die Chromatinstruktur und damit die Zugänglichkeit und Expression der assoziierten DNA-Sequenz. Individuelle Variationen im DNA-Methylierungsprofil haben damit das Potenzial zu unterschiedlichen Phänotypen und der Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten beizutragen. Dennoch ist aktuell noch wenig über das Ausmaß solch individueller epigenetischer Unterschiede bekannt, ebenso wie diese grundsätzlich etabliert und vererbt werden.
Diese Arbeit setzt sich mit dem Einfluss von genetischen Faktoren auf spezifische DNA Methylierungsmuster auseinander. Zwei häufig verwendete Inzuchtmausstämme, C57BL/6 und BALB/c, wurden als Modellsystem gewählt, um der Frage nach inter-individuellen Unterschieden im DNA-Methylierungsmuster nachzugehen. Zum heutigen Zeitpunkt ist noch wenig über trans-agierende Faktoren bekannt, die gezielt den Epiphänotyp beeinflussen. Die vorliegende Arbeit zielte deshalb primär darauf ab, den verantwortlichen Faktor für das stammspezifische Methylierungsmuster einer bereits bekannten differentiell methylierten Region, dem Isoc2b-Promoter, zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Methylierung in BALB/c-Mäusen im Zuge der frühen Embryonalentwicklung in jeder Generation neu etabliert wird, während C57BL/6-Mäuse generell einen hypomethylierten Zustand beibehalten. Dieses differentielle Methylierungsmuster gilt auch in anderen Inzuchtmausstämmen und konnte außerdem in einem Differenzierungsmodell mit embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) nachgewiesen werden. Mit Hilfe von Kopplungsanalysen in C;B6-Hybriden wurde die für den Faktor kodierende Region auf einen 9 Mb-Bereich auf Chromosom 12 eingeschränkt. Diese Region ist allerdings hoch repetitiv. Um das für den Faktor kodierende Gen weiter zu charakterisieren, wurden sowohl Komplementierungsassays mit BAC-Klonen, die die Kandidatenregion abdecken, als auch Expressionsanalysen mittels RNA-seq im ES-Zell-Differenzierungsmodell durchgeführt. Letztere identifizierten Nol10 als mögliches Kandidatengen, um den beobachteten stammspezifischen Epiphänotyp hervorzurufen. Desweiteren wurden neue potentielle DMRs auf Basis von stammspezifischen Histonmodifikationsmustern ausgewählt und validiert. Da bisher aber nur weitere in cis regulierte DMRs gefunden wurden, wird die Suche nach trans-regulierten DMRs weiter fortgesetzt.
Die eingehende Charakterisierung des potentiellen epigenetischen Modifiers Nol10 gestattet möglicherweise fundamentale Einsichten darüber, wie spezifische Methylierungsmuster während der Embryonalentwicklung gesetzt und damit inter-individuelle Unterschiede eingeführt werden können.

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