Epigenome-wide base-resolution profiling of DNA methylation in chorionic villi of Down syndrome fetuses

Abstract

목적 DNA 메틸화를 포함하는 후성학적 기전은 환경 인자와 유전체를 연결하며, 세포의 발달과 분화 및 다양한 질병에 영향을 미친다. 본 연구에서는 DNA 메틸화의 차별적인 패턴이 다운증후군과 관련이 있는지를 결정하기 위해 높은 처리량의 메틸롬 프로파일링을 수행했다. 연구방법 초기 발달 단계에 있는 정상 태아 5 명과 다운증후군 태아 5 명의 융모막 융모 세포로부터 DNA를 추출했다. 유전체에 분포된 CpG 부위의 메틸화 수준은 methyl-capture sequencing (MC-Seq)을 이용하여 조사되었다. 다운증후군에서 다르게 메틸화되는 CpG 부위 (differentially methylated CpG sites: DMCs)와 지역 (differentially methylated regions: DMRs)을 동정하였고, DMR을 포함하고 있는 유전자의 새로운 기능적 주석은 생물정보학 방법들을 이용하여 분석하였다. 연구결과 다운증후군 태아의 융모막 융모 세포에서는 DNA 과메틸화가 유전체 전체에서 관찰되었다. 다운증후군에서 다른 메틸화 패턴을 보이는 총 4,439 개의 DMC가 동정되었고, 이중 96%는 과메틸화되어 있었다. DMC는 총 141개의 DMR을 포함하고 있었으며, 이들 DMR은 122 개의 유전자에 존재하고 있었다. DMR을 포함하고 있는 유전자들은 심장 형성과 귀, 갑상선, 신경계의 발달과 관련이 있었고, 다운증후군과 함께 간세포 증후군, 전도성 난청, 전뇌 둘레, 심장 질환, 녹내장, 근골격계 이상과 같은 다양한 질병과도 유의하게 관련되어 있었다. 결론 본 연구는 초기 발달 단계의 정상 태아와 다운증후군 태아의 융모막 융모 세포에서 MC-seq를 이용하여 유전체의 DNA 메틸화 패턴을 비교한 첫 번째 연구이다. 본 연구의 결과는 정상 태아에 비해 다운증후군 태아의 융모막 융모 세포에서 모든 염색체의 과메틸화를 보여주며, 이러한 변화된 DNA 과메틸화가 다운증후군 세포에서 기능적인 이상의 발생과 관련이 있음을 제시한다. 더욱이 MC-seq과 같은 높은 처리량의 메틸롬 프로파일링 방법은 질환에 따라 다르게 메틸화되는 부위를 동정하기 위한 강력한 도구로 적용이 가능하다. 본 연구는 다운증후군 태아의 초기 발달 단계에서 작용하는 DNA 메틸화의 역할 뿐 아니라 잠재적인 효과 및 다운증후군의 병태 생리학에 초점을 맞춘 향후 연구들에 있어 DNA 메틸화에 대한 기본 정보를 제공한다.

색인단어: DNA 메틸화, 다운증후군, 메틸-획득 시퀸싱, 융모막 융모, 후성학; Objective: Epigenetic mechanisms provide an interface between environmental factors and the genome, and are influential in various diseases. These mechanisms, including DNA methylation, influence the regulation of development, differentiation, and establishment of cellular identity. Here we performed high-throughput methylome profiling to determine whether differential patterns of DNA methylation correlate with Down syndrome (DS). Methods: Between June 2015 and July 2017, pregnant women with normal and DS fetuses who had antenatal care at Cheil General Hospital were recruited. Methyl-capture sequencing (MC-Seq) was used to investigate the methylation levels of CpG sites distributed across the whole genome to identify differentially methylated CpG sites (DMCs) and regions (DMRs) in DS. New functional annotations of DMR genes using bioinformatics tools were predicted. Results: DNA hypermethylation was observed in DS fetal chorionic villi cells. Significant differences were evident for 4,439 DMCs, including hypermethylation (n=4,261) and hypomethylation (n=178). Among them, 140 hypermethylated DMRs and only one hypomethylated DMR were located on 121 genes and one gene, respectively. One hundred twenty-two genes, including 141 DMRs, were associated with heart morphogenesis and development of the ear, thyroid gland, and nervous systems. The genes were significantly associated with DS and various diseases, including hepatopulmonary syndrome, conductive hearing loss, holoprosencephaly, heart diseases, glaucoma, and musculoskeletal abnormalities. Conclusions: This is the first study to compare the whole-epigenome DNA methylation pattern of the chorionic villi cells from normal and DS fetuses at the early developmental-stage using MC-seq. Our results indicate that the chorionic villi cells of DS fetuses are hypermethylated in all autosomes and suggested that altered DNA methylation may be a recurrent and functionally relevant downstream response to DS in human cells. This study provides basic information for future research focused on the pathophysiology of the DS and its potential effects, as well as the role DNA methylation plays in the early developmental-stage of DS fetuses.

Keywords: Chorionic villi, DNA methylation, Down syndrome, Epigenetics, Methyl-Capture sequencing