The developmental origin of childhood obesity: insights from an OMICs perspective

Abstract

Childhood obesity rates have increased substantially over the past years, rising to an epidemic level, and the COVID-19 pandemic and the national lockdowns enlarged this health issue. Childhood obesity results from the interplay of genetic predisposition and environmental factors, acting already during prenatal life and throughout early life. However, underlying molecular mechanisms determining childhood obesity are scarce. This PhD thesis investigates the molecular mechanisms underlying the developmental origin of childhood obesity by using OMICs technologies that detect the totality of molecules belonging to a biological layer. It falls into three parts, overall consisting of five chapters, as summarized in Table 1. Part 1 focuses on studying the biological embedding of parental socioeconomic position, which is a risk factor of childhood obesity, via offspring DNA methylation. Findings show that socioeconomic position has a modest influence on the DNA methylation of the offspring at birth, with the strongest effects seen for maternal education, and that this influence is not persistent later in childhood and adolescence. Maternal education is associated with more differentially methylated CpG loci in adolescents than in newborns. Although the differentially methylated CpG sites identified at different ages do not overlap, two CpG sites, associated with maternal education at birth and during adolescence, are 219 base pairs apart in the Sulfatase 1 gene. Part 2 (2 chapters) concentrates on the association of molecular signatures and anthropometrics in children. First, the evidence from the literature on the association between epigenetics and childhood anthropometrics is systematically reviewed. Findings show that childhood obesity is linked to epigenetic changes, but most of the identified epigenetic signatures have not yet been replicated, indicating that a childhood epigenetics obesity signature is at least complex to unravel. Based on available evidence, epigenetics seems to be a more plausible biomarker of childhood obesity rather than its cause, while interaction between the different epigenetic layers is still based on assumptions. Then, since phenotypes and diseases are likely to result from a complex interaction between multiple OMIC layers, rather than being dominated by one single molecular mechanism, the molecular signatures of birthweight are reconstructed over different OMIC layers of cord blood. Findings substantiate previously identified biomarkers in cord blood linked to birthweight and identify new OMIC features, mainly involved in the immune system, such as the gene expression of Janus kinase 3 and the C-C motif chemokine 22 protein. The main results of the OMICs integration indicate the central role of cholesterol metabolism underlying birthweight, which is verified in a follow-up study in the ENVIRONAGE cohort by the finding that higher birthweight is associated with increased cord blood levels of high-density lipoprotein cholesterol. Finally, part 3 (2 chapters) is centered at investigating molecular signatures as mediators of the association between prenatal exposures and childhood obesity. Using a similar study design, two original studies are presented estimating the indirect effects of cord blood DNA methylation and metabolites, respectively, in the association of prenatal exposures (including maternal education, prepregnancy BMI, weight gain and tobacco smoke during pregnancy, age at delivery, parity, and child gestational age) with rapid weight growth in infancy and overweight later in childhood. First, a meta-epigenome wide association study shows evidence that cord blood DNA methylation is associated with rapid weight growth during the first year of life at the regional level, yet only three CpGs reach genome-wide significance at the single CpG level, and that higher gestational age acceleration is associated with a lower risk of experiencing rapid weight growth. The identified DNA methylation signatures are not associated with subsequent childhood obesity between four and eight years, with the exception of one differentially methylated region (DMR), but are enriched in CpGs previously reported to be associated with birthweight. Testing their mediating role in the association between a set of prenatal exposures and rapid weight growth, we demonstrate that gestational age is inversely associated with rapid weight growth and a small part of this association is mediated by the methylation level of three CpGs. Then in the last chapter, we use a set of metabolic signals that were previously associated with rapid weight growth and/or childhood overweight and obesity and studied their mediating role in the propensity to rapid weight growth and childhood overweight (including obesity). Findings indicate some metabolites have an indirect effect on the propensity to rapid weight growth associated with maternal education, maternal weight gain, parity and gestational age, while no metabolite is a mediator of the effect of any of the exposures studies on childhood overweight. The effect of gestational age on childhood overweight is mainly mediated by rapid weight growth. To deepen our understanding, assessing the role of metabolites and rapid weight growth as sequential mediators in the association between prenatal exposures and childhood overweight via multiple mediation analyses, we reveal that rapid weight growth explains most of the mediation effect of gestational age on childhood overweight while mediation by metabolites is marginal. In conclusion, the results of this doctoral dissertation suggest that: maternal education may influence the offspring’s methylome at birth and adolescence; childhood epigenetics obesity signature is at complex to unravel as demonstrated by the fact that epigenetic signatures related to childhood obesity have been poorly replicated in literature; integration of different omic-layers in addition to single omics studies indicates cholesterol metabolism has a central role in weight at birth; evidence of an association of cord blood DNA methylation with rapid weight growth was larger at the regional level than at single CpGs and mediation analysis indicated a possible role of DNA methylation in the association between gestational age and rapid weight growth; cord blood metabolites seemed to be mediate the effect of maternal education, pregnancy weight gain, parity, and gestational age on rapid postnatal growth but not on childhood overweight and obesity.

Het aantal gevallen van obesitas bij kinderen is de afgelopen jaren aanzienlijk toegenomen. Obesitas bij kinderen is het gevolg van een samenspel tussen genetische aanleg en omgevingsfactoren, die al tijdens de prenatale periode en gedurende de vroege kindertijd optreden. Het begrip van de onderliggende moleculaire mechanismen die bepalend zijn voor obesitas bij kinderen is echter nog steeds beperkt. Deze doctoraatsthesis onderzoekt de moleculaire mechanismen die onderliggend zijn aan de oorsprong van obesitas bij kinderen door gebruik te maken van OMICs technologieën om relevante biomoleculen te detecteren. De thesis is opgebouwd uit drie delen, die in totaal uit vijf hoofdstukken bestaan, zoals samengevat in Tabel 1. Deel 1 richt zich op het bestuderen van de biologische inbedding via DNAmethylering van de sociaaleconomische positie van de ouders, hetgeen een mogelijke rol heeft bij het onstaan van aandoeningen zoals obesitas. Uit onze bevindingen blijkt dat de sociaal-economische positie een bescheiden invloed heeft op de DNA-methylering van de nakomelingen bij de geboorte, waarbij de sterkste effecten worden gezien voor de opleiding van de moeder, en dat deze invloed later in de kindertijd en adolescentie niet persistent is. Het opleidingsniveau van de moeder is geassocieerd met een hoger aantal differentieel gemethyleerde CpG loci bij adolescenten dan bij pasgeborenen. Hoewel de verschillend gemethyleerde CpG-locaties die op verschillende leeftijden zijn geïdentificeerd elkaar niet overlappen, liggen twee CpG-locaties die geassocieerd zijn met de opleiding van de moeder bij de geboorte en tijdens de adolescentie, 219 baseparen uit elkaar in het Sulfatase 1-gen. Deel 2 (bestaande uit 2 hoofdstukken) concentreert zich op de associatie tussen moleculaire signalen en antropometrische kenmerken bij kinderen. Eerst werden de gegevens uit de literatuur over de associatie tussen epigenetica en antropometrische kenmerken bij kinderen systematisch geëvalueerd aan de hand van een systematische review. De bevindingen tonen aan dat obesitas bij kinderen samenhangt met epigenetische veranderingen, maar de meest frequent geïdentificeerde epigenetische signalen werden nog niet gerepliceerd, wat erop wijst dat het op zijn minst ingewikkeld is om een epigenetische handtekening voor obesitas bij kinderen te ontrafelen. Op basis van het beschikbare bewijsmateriaal lijkt epigenetica eerder een plausibele biomarker van obesitas bij kinderen te zijn dan de oorzaak ervan. Aangezien ziekten het resultaat zijn van een complexe interactie tussen meerdere moleculaire (OMICs) lagen, eerder dan gedomineerd te worden door één enkel moleculair mechanisme, hebben we de moleculaire signalen van geboortegewicht getest over verschillende OMICs lagen van navelstrengbloed. De bevindingen bevestigen enerzijds eerder geïdentificeerde biomarkers in navelstrengbloed die verband houden met geboortegewicht en anderzijds identificeerden we nieuwe OMICs-kenmerken, voornamelijk betrokken bij het immuunsysteem, zoals de genexpressie van Janus kinase 3 en het C-C motif chemokine 22 eiwit. De belangrijkste resultaten van de OMICs-integratie wijzen op de centrale rol van het cholesterolmetabolisme dat ten grondslag ligt aan het geboortegewicht, hetgeen in een vervolgstudie in het ENVIRONAGE-cohort wordt geverifieerd door de bevinding dat een hoger geboortegewicht samenhangt met een verhoogd highdensity lipoproteïne-cholesterol uit de navelstrengbloed. Tenslotte is deel 3 (bestaande uit 2 hoofdstukken) gericht op het onderzoeken van moleculaire signalen als mediatoren van de associatie tussen prenatale blootstellingen en obesitas bij kinderen. Gebruikmakend van een gelijkaardige studieopzet presenteren we twee studies die de indirecte effecten onderzoeken van respectievelijk DNA-methylering en metabolieten in navelstrengbloed, telkens in de associatie van prenatale blootstellingen met snelle gewichtstoename in de kindertijd en overgewicht later in de kindertijd. Ten eerste toont een epigenoomwijde associatiestudie aan dat DNA methylatie in navelstrengbloed geassocieerd is met een snelle gewichtstoename tijdens het eerste levensjaar op regionaal niveau, maar dat slechts drie CpGs genoomwijde significantie bereiken op het CpG niveau, en dat een hogere versnelling van de zwangerschapsleeftijd geassocieerd is met een lager risico op het ervaren van snelle gewichtstoename. De geïdentificeerde DNA methylatie signalen zijn echter niet geassocieerd met latere kinderobesitas tussen vier en acht jaar (afgezien van één regio), maar zijn verrijkt in CpGs waarvan eerder werd gerapporteerd dat ze geassocieerd zijn met geboortegewicht. We testten hun rol als mediator in de associatie tussen een prenatale blootstellingen en snelle gewichtstoename. Deze analyses tonen aan dat zwangerschapsduur omgekeerd geassocieerd is met snelle gewichtstoename in het eerste levensjaar, deze associatie is klein deels gemedieerd door het methyleringsniveau van drie CpGs. In het laatste hoofdstuk gebruiken we een set metabolieten, die voorafgaand in verband werden gebracht met snelle gewichtstoename en/of overgewicht en obesitas bij kinderen, en bestuderen we hun mediërende rol in snelle gewichtstoename en overgewicht (inclusief obesitas) bij kinderen in relatie tot verschillende prenatale blootstellingen. Uit onze bevindingen blijkt dat sommige metabolieten indirect een mediator zijn tussen het ontstaan van snelle gewichtstoename en de opleiding van de moeder, de gewichtstoename van de moeder, de pariteit en de zwangerschapsduur. Geen enkele metaboliet is een mediator van het effect van een van de blootstellingsstudies op overgewicht bij kinderen. Het effect van de zwangerschapsduur op overgewicht bij kinderen wordt voornamelijk gemedieerd door snelle gewichtstoename. Om ons begrip hierin te verdiepen, beoordeelden we de rol van metabolieten en snelle gewichtstoename als opeenvolgende mediatoren in de associatie tussen prenatale blootstellingen en overgewicht bij kinderen via meervoudige bemiddelingsanalyses. We vonden dat snelle gewichtstoename het grootste deel van het mediatie van zwangerschapsduur op overgewicht bij kinderen verklaart, terwijl de mediatie door metabolieten erg klein is. Concluderend, de resultaten van dit proefschrift suggereren dat: de opvoeding van de moeder van invloed kan zijn op het methyloom van het nageslacht bij de geboorte en in de adolescentie; de epigenetische handtekening van obesitas bij kinderen complex is om te ontrafelen, zoals blijkt uit het feit dat epigenetische handtekeningen die verband houden met obesitas bij kinderen slecht gerepliceerd zijn in de literatuur; integratie van verschillende omic-lagen in aanvulling op enkelvoudige omics-studies aangeeft dat cholesterolmetabolisme een centrale rol speelt bij het gewicht bij de geboorte; bewijs voor een associatie van DNAmethylering in navelstrengbloed met snelle gewichtstoename was groter op regionaal niveau dan bij afzonderlijke CpG's en bemiddelingsanalyse wees op een mogelijke rol van DNA-methylering in de associatie tussen zwangerschapsduur en snelle gewichtstoename; metabolieten in navelstrengbloed leken te bemiddelen bij het effect van maternale opleiding, gewichtstoename tijdens de zwangerschap, pariteit en zwangerschapsduur op snelle postnatale groei, maar niet op overgewicht en obesitas bij kinderen.