Epigenetics in early life: the role of placental promoter methylation in DNA repair genes and environmental air pollution

Abstract

ACHTERGROND: Tijdens de foetale ontwikkeling speelt de placenta een centrale rol. Fijnstof met een diameter kleiner dan 2.5 μm (PM2.5) kan nadelige zwangerschapseffecten en gezondheidsproblemen veroorzaken vroeg en laat in het leven. DNA-herstel mechanismen hebben het potentieel om lange termijn effecten te induceren indien hun normale functie wordt aangetast. DOELSTELLINGEN: We onderzochten of placentale DNA methylatie in de promotor regio van DNA-herstel/schade gerelateerde genen (APEX1, PARP1, OGG1, ERCC1, ERCC4, p53 and DAPK-1) geassocieerd was met PM2.5 blootstelling. Bovendien analyseerden we globale DNA methylatie met LINE-1 en de mutatie snelheid met Alu in associatie met PM2.5 blootstelling. METHODEN: Bisulfiet-PCR-pyrosequencing werd gebruikt om de DNA methylatie status te meten van de zeven geselecteerde genen, de globale DNA methylatie en mutatie snelheid in 463 placenta’s afkomstig van het ENVIRONAGE geboorte cohort. Dagelijkse PM2.5 blootstelling werd berekend aan de hand van spatiële en temporele interpolatie modellen die gebruik maakten van de maternale residentie. RESULTATEN: Voor een interkwartielafstand toename (IQR) van 3.84 μg/m3 in PM2.5 tijdens de volledige zwangerschap vonden we een relatieve toename van 3.32% (p < 0.0001) in mutatie snelheid in Alu. Verder, observeerden we een 12.27% toename in promotor methylatie voor APEX1 (p = 0.039), 26.91% voor OGG1 (p = 0.0066), 5.38% voor PARP1 (p = 0.0053), 29.40% voor ERCC4 (p < 0.0001) en 7.09% voor p53 (p = 0.0014), na correctie voor a priori gekozen covariaten. In tegensteling vonden we voor promotor methylatie in ERCC1 een daling van -28.34% (p = 0.0020). Bovendien was globale DNA methylatie (LINE-1) toegenomen met 13.24% (p < 0.0001) voor een IQR toename van PM2.5 tijdens de volledige zwangerschap. CONCLUSIE: In utero blootstelling aan fijnstof is geassocieerd met hogere placentale mutatie snelheid en met epigenetische veranderingen in DNA-herstel/schade genen. Toekomstige studies moeten de relevantie van PM2.5 op de de gezondheid en veranderde methylatie patronen in DNA herstel genen verder toelichten.

BACKGROUND: During foetal development, the placenta plays a pivotal role. Particulate matter with a diameter ≤ 2.5 μm (PM2.5) can induce adverse gestational effects and health issues both early and later in life. DNA repair pathways have the potential to induce long-term effects when their function is compromised. OBJECTIVES: We investigated whether placental DNA methylation in the promoter region of DNA repair/damage- related genes (APEX1, PARP1, OGG1, ERCC1, ERCC4, p53 and DAPK-1) was associated with PM2.5 exposure. Additionally, we analysed global DNA methylation with LINE-1 and the mutation rate with Alu in association with PM2.5 exposure. METHODS: Bisulfite-PCR-pyrosequencing was used to determine the DNA methylation status of seven genes, global DNA methylation and mutation rate in 463 placentas originating from the ENVIRONAGE birth cohort. Daily PM2.5 exposure levels were calculated using a spatial temporal interpolation model using each mother’s residence. RESULTS: For an interquartile range increment (IQR) of 3.84 μg/m3 in PM2.5 exposure during the entire pregnancy, we found a relative higher placental mutation rate of 3.32% (p < 0.0001) higher placental mutation rate in Alu. Additionally, we observed a 12.27% increase in promoter methylation for APEX1 (p = 0.039), 26.91% for OGG1 (p = 0.0066), 5.38% for PARP1 (p = 0.0053), 29.40% for ERCC4 (p < 0.0001) and 7.09% for p53 (p = 0.0014), after adjustment for a priori selected covariates. Conversely, the corresponding result for ERCC1 promoter methylation was a relative decrease of -28.34% (p = 0.0020). Additionally, global DNA methylation (LINE-1) was 13.24% (p < 0.0001) higher for an IQR increment for the entire pregnancy PM exposure. 2.5 CONCLUSIONS: In utero exposure to particulate matter is associated with higher mutation rates and epigenetic changes in DNA repair/damage genes of newborns. Future studies are essential to elucidate the persistence of these changes over the life course.