miRNAs as potential signatures of exposure and effect in early life

Abstract

Maintaining a healthy early life environment is the most important factor for a healthy pregnancy and normal fetal growth. Disturbances in utero can cause deleterious effects on both fetus and mother. Early life epigenetics including microRNAs (miRNAs) have been implicated in many biological processes related to fetal development or pregnancy outcomes. These small molecules, miRNAs, are considered as key modulators of gene expression. Aberrant expression of miRNAs in fetal tissues has been suggested to mediate adverse outcomes in early life, which may increase disease predisposition in later life. In this dissertation, the potential associations between miRNA expression in fetal tissues and prenatal environmental or personal exposures, or aging markers were investigated using the birth cohort, ENVIRONAGE. Prenatal exposure to particulate air pollution has been reported to affect negatively the function of placenta which in turn can lead to adverse health effects for both fetus and mother. In this context, based on a priori selection of known miRNAs to be altered by environmental exposures, the associations of placental miRNA expression with maternal exposure to PM2.5 and NO2 were investigated (Chapter 2). Candidate placental miR-20a, miR-21, miR-146a and miR-222 were inversely associated with increased trimester-specific particulate matter exposure during pregnancy. Significant findings were validated by measuring a common target of the significantly associated miRNAs with particulate air pollution exposure in placenta. In Chapter 3, the effect of maternal pre-pregnancy BMI on candidate placental miRNA expression was assessed. Placental miR-20a, miR-34a, miR-146a, miR210 and miR-222 expression was lower with higher maternal pre-pregnancy BMI only in newborn girls. These findings might provide a sex-specific basis for epigenetic effects of pre-pregnancy BMI. Attrition of telomere length is a hallmark of biological aging. Although newborns have the same chronological age, they may differ in biological age. MiRNA expression in placental tissue was found to be positively associated with placental relative telomere length, in Chapter 4. Placental miR-34a, miR-146a, miR-210 and miR-222 exhibited sex-specific associations with placental relative telomere length. These observations indicated that miRNA expression in placental tissue could be an important determinant in the process of aging starting from early life onwards. Interestingly, in a genome-wide miRNA analysis in placenta (Chapter 5) from normal pregnancies, sex-specific patterns were revealed. 142 miRNAs in placenta were significantly associated with the newborn’s sex. Enrichment analysis of the identified differentially expressed miRNAs by sex in placenta showed processes in metabolism, RNA transcription, neural development to be significantly regulated. These sex-specific processes already present during pregnancy may underlie mechanisms entangled in physiological conditions in early or possibly in later life. Particulate matter (PM) is a known human carcinogen (Group A) according to IARC (International Agency for Research on Cancer). Fine particles can cross the placental barrier, and subsequently may exert their effects already in early life. The expression of the members of the oncogenic cluster miR-17/92, and that of its upstream activator, C-MYC, and its downstream target, CDKN1A, were measured in cord blood, and were associated with prenatal PM exposure, in Chapter 6. An inverse association was identified between the expression of the miR-17/92 cluster and C-MYC in cord blood and different time windows for prenatal PM2.5 exposure.

Het handhaven van een gezonde omgeving voor jonge mensen is de belangrijkste factor voor een gezonde zwangerschap en een normale foetale groei. Stoornissen in de baarmoeder kunnen schadelijke effecten hebben op zowel de fetus als de moeder. Epigenetica van het vroege leven met inbegrip van microRNA's (miRNA's) zijn betrokken bij vele biologische processen die verband houden met foetale ontwikkeling of zwangerschapsuitkomsten. Deze kleine moleculen, miRNA's, worden beschouwd als sleutelmodulators van genexpressie. Afwijkende expressie van miRNA's in foetale weefsels kan mogelijk nadelige uitkomsten in het vroege leven mediëren, wat de aanleg van ziekte op latere leeftijd kan verhogen. In dit proefschrift werden de mogelijke associaties tussen miRNA-expressie in foetale weefsels en prenatale of persoonlijke blootstelling aan het milieu enerzijds, en merkers van veroudering anderzijds, onderzocht met behulp van het geboortecohort ENVIRONAGE. Van prenatale blootstelling aan deeltjesvormige luchtvervuiling is gerapporteerd dat het de functie van placenta negatief beïnvloedt, wat op zijn beurt kan leiden tot nadelige gezondheidseffecten voor zowel de fetus als de moeder. In deze context, op basis van een a priori selectie van bekende miRNA's die moeten worden gewijzigd door blootstellingen aan het milieu, werden de associaties van de expressie van miRNA van de placenta met blootstelling van de moeder aan PM2.5 en NO2 onderzocht (Hoofdstuk 2). Kandidaat placenta miR-20a, miR-21, miR-146a en miR-222 waren omgekeerd geassocieerd met verhoogde trimesterspecifieke luchtverontreiniging tijdens de zwangerschap. Aanzienlijke bevindingen werden gevalideerd door het meten van een gemeenschappelijk mRNA doelwit van de significant geassocieerde miRNA's met deeltjesblootstelling in de placenta. In Hoofdstuk 3 werd het effect van maternale pre-zwangerschap BMI op kandidaat-placentale miRNA's beoordeeld. Placentale miR-20a, miR-34a, miR146a, miR-210 en miR-222 expressie was lager bij hogere maternale prezwangerschap BMI, specifiek voor pasgeboren meisjes. Deze bevindingen kunnen een geslachts-specifieke basis bieden voor epigenetische effecten van BMI vóór de zwangerschap. Vermindering van de lengte van telomeren is een kenmerk van biologische veroudering. Hoewel pasgeborenen dezelfde chronologische leeftijd hebben, kunnen ze verschillen in biologische leeftijd. MiRNA-expressie in placentaweefsel bleek in Hoofdstuk 4 positief geassocieerd te zijn met de relatieve telomeerlengte van de placenta. Placenta miR-34a, miR-146a, miR-210 en miR222 vertoonden geslachtsgebonden associaties met de telomeer lengte van de placenta. Deze observaties gaven aan dat miRNA-expressie in placentair weefsel een belangrijke factor kan zijn in het proces van veroudering vanaf het begin van het leven. Interessant is dat in een genoom-wijde miRNA-analyse in placenta (Hoofdstuk 5) van normale zwangerschappen, geslachts-specifieke patronen werden onthuld. 142 miRNAs in de placenta waren significant geassocieerd met het geslacht van de pasgeborene. Verrijkingsanalyse van de geïdentificeerde differentieel tot expressie gebrachte miRNAs naar geslacht in placenta liet zien dat processen in het metabolisme, RNA-transcriptie, neurale ontwikkeling significant gereguleerd zijn. Deze geslachts-specifieke processen die al aanwezig zijn tijdens de zwangerschap kunnen ten grondslag liggen aan mechanismen die in fysiologische omstandigheden in het begin of mogelijk op latere leeftijd verstrikt zijn geraakt. Fijn stof (PM) is een bekend humaan carcinogeen (groep A) volgens IARC (International Agency for Research on Cancer). Fijne deeltjes kunnen de placentaire barrière passeren en kunnen vervolgens hun effecten al in het vroege leven uitoefenen. De expressie van de leden van de oncogene cluster miR-17/92 en die van de stroomopwaartse activator, C-MYC en het stroomafwaartse doel ervan, CDKN1A, werden gemeten in navelstrengbloed en werden geassocieerd met prenatale blootstelling aan PM, in Hoofdstuk 6. Er werd een omgekeerde associatie geïdentificeerd tussen de expressie van het miR-17/92-cluster en CMYC in navelstrengbloed en prenatale PM2.5 blootstelling, met gebruikmaking van verschillende tijdvensters tijdens de gehele zwangerschap.