Avhandlingsreferat: DNA-metylering och genuttryck

Både innan och efter att en människa föds pågår en snabb utveckling av kroppen inkluderande celldifferentiering, bildning av organ och utveckling av organsystem. Exponering för miljöfaktorer eller andra stressorer under fosterlivet och de första levnadsåren skulle kunna påverka dessa utvecklingsprocesser, potentiellt genom molekylära och epigenetiska mekanismer, och därigenom ha en negativ inverkan på individens hälsa senare i livet. Epigenetik innebär förändringar i en gens aktivitet eller funktion, utan att själva DNA-sekvensen har ändrats, vilket kan resultera att genen ”slås på” eller ”stängs av”. Detta kommer i sin tur påverka genuttryck och kodning av protein, det vill säga hur och när ett protein bildas utifrån instruktionen som genen innehåller. Epigenetiska förändringar kan vara antingen reversibla eller enkelriktade, och även ärftliga.

Den mest utförligt studerade epigenetiska mekanismen är DNA-metylering, där cytosin, en av de fyra byggstenarna som DNA är uppbyggt av, ombildas till 5-methylcytosin. DNA-metylering har föreslagits vara en länk mellan genetik och miljöfaktorer. Epigenetiska mönster som uppkommit tidigt i livet (under graviditeten) kan påverka genuttrycket under hela livet och skulle därmed kunna påverka en individs benägenhet att utveckla kroniska sjukdomar.

Kroniskt obstruktiv lungsjukdom (KOL) är en komplex sjukdom och ses som ett globalt hälsoproblem. En huvudsaklig riskfaktor för KOL är tobaksrökning. Andra faktorer som genetik, luftföroreningar och upprepade luftvägsinfektioner har också visats vara kopplade till risken att utveckla KOL. Däremot har rollen som DNA-metylering spelar i utvecklingen av KOL inte studerats i detalj.

En annan komplex sjukdom, jordnötsallergi, är en av de vanligast förekommande födoämnesallergierna och den ledande orsaken till allvarlig allergisk reaktion (anafylaxi) hos barn. Oral immunoterapi vid jordnötsallergi (pOIT) innebär att en liten mängd jordnöt intas under kontrollerade former och kan leda till en minskad känslighet och utveckling av tolerans för födoämnet. Behandling med läkemedlet omalizumab, en anti-IgE-antikropp som minskar den allergiska reaktionen mot till exempel jordnöt, skulle kunna göra starten av oral immunoterapi vid jordnöts-allergi säkrare. Mekanismerna bakom hur tolerans uppkommer vid oral immunoterapi är dock inte klarlagda.

Denna avhandling syftade till att identifiera de molekylära mönster som kan relateras till tidiga exponeringar, kronisk lungsjukdom, liksom svaret på allergibehandling.

I den första studien relaterades DNA-metyleringsmönstret vid födelsen till hur lång graviditeten hade varat (antal gestationsveckor). Denna storskaliga undersökning baserades på data från 26 olika studier som deltog i det stora PACE-konsortiet och kunde visa att det på flera platser i arvsmassan fanns ett samband mellan nivån av DNA-metylering och graviditetslängd. Genom att analysera blod från navelsträngen kunde vi visa på att dessa förändringar troligen kunde kopplas till fosterutveckling i flera olika vävnader. I de flesta fall var nivån av DNA-metyleringar föränderlig under barndomen, d.v.s. om det fanns skillnader kopplade till gestationsålder vid födseln så ändrade sig nivåerna med åldern till jämförbara nivåer vid skolåldern, och därefter ligga kvar på samma nivå. Dock identifierades en mindre mängd metyleringsplatser (17 %) där sambandet mellan lägre metyleringsnivå och lägre gestationsålder kvarstod upp i tonåren. Bioinformatikanalyser visade att de gener som kunde kopplas till de identifierade metyleringsplatserna har i andra studier visats ha samband med olika sjukdomar och sannolikt är involverade i biologiska processer som är nödvändiga för fostrets utveckling. Flera av metyleringsplatserna påverkade också uttrycket av närliggande gener.

I nästa studie undersöktes sambandet mellan den beräknade utomhusexponeringen för partiklar med storlek mindre än 2.5 mikrometer (PM2.5) vid bostadsadressen vid födseln samt under tonåren, och effekten på DNA-metylering. Genuttryck undersöktes under barndomen och tonåren. Vi fann att genuttryck hos barn och tonåringar var kopplat till den exponering för PM2.5 som fanns vid födelseadressen. När vi kombinerade metylering och genuttryck och relaterade detta till exponering för PM2.5 fann vi flera exempel på interactome hotspots, det vill säga tillfällen då både metylering och genuttryck påverkas. Några av de identifierade generna kunde kopplas till sjukdomar som orsakas eller förvärras av luftföroreningsexponering.

I den tredje studien studerades sambandet mellan metylering i celler från de nedre luftvägarna, i huvudsak makrofager, KOL-status och rökning hos vuxna individer, med avsikten att öka förståelsen om sjukdomsuppkomsten vid KOL. Vi fann flera samband mellan KOL och DNA-metyleringsnivåer i dessa celler, med en stark funktionell koppling till nivåerna för genuttryck. Vår analys pekar också mot att både genetiska och epigenetiska mekanismer spelar viktiga roller för KOL-sjukdomen.

I det fjärde delarbetet studerades genuttrycket före, under och efter pOIT hos tonåringar med allvarlig jordnötsallergi. Här återfanns både upp- och nedreglering av immunrelaterade gener i relation till pOIT och omalizumabbehandling. Dessa resultat kan hjälpa oss att förstå mekanismerna bakom toleransutveckling vid svår allergi.

Sammanfattningsvis har de presenterade resultaten ökat vår kunskap avseende den roll DNA-metylering och genuttryck spelar i människans utveckling, gällande effekter av luftföroreningsexponering, för sjukdomsmekanismer och vid svar på behandling. Dessa fynd kan bidra till att överbrygga epidemiologisk och experimentell forskning med klinisk vård.