Het sluiten van de neurale buis: De gen-gen interacties van TET1 en het samenspel met het nutriënten metabolisme

De etiologie van congenitale malformaties, met name neurale buisdefecten (NBD), is complex en omvat een combinatie van genetische en milieu factoren die elkaar beïnvloeden. Het begrijpen van de relatie tussen intrinsieke genetische factoren en extrinsieke omgevingsfactoren blijft een uitdaging. Hier in dit proefschrift beschrijf ik mijn inspanningen om het begrip van het epigenoom-gen-omgeving-interactiemodel te verbeteren. Van bijzonder belang is het DNA-demethylase TET1; afhankelijk van de genetische achtergrond ontwikkelen embryo’s zonder Tet1 ontwikkelen een NBD met verschillende penetrantie. De DNA demethylerende functie van TET1 als dioxygenase, plaatst TET1 ideaal als een omgevingssensor tijdens de embryonale ontwikkeling. Daarom is mijn hypothese dat in de vroege embryonale ontwikkeling TET1 een belangrijke mediator is voor de interactie tussen het epigenoom, het genoom en het milieu, wat voor een goede coördinatie zorgt van de ontwikkeling van het embryo. Dit proefschrift is samengesteld uit één gepubliceerd manuscript en twee manuscripten die momenteel voorbereid worden:

In het eerste manuscript ontleed ik de katalytische versus niet-katalytische functies van TET1 tijdens neurale inductie. Embryonale stamcellen (ESC’s) zonder Tet1 verschuiven hun bestemming van neuroectoderm naar mesoderm en endoderm, terwijl ESC’s die een endogeen gemuteerde katalytisch inactieve versie TET1 bevatten, wel ectoderm vormen. Verder bevinden regio’s op het genoom die gedemethyleerd worden door TET1 zich op enhancers, maar is er een ontkoppeling tussen DNA-methylatie en toegankelijkheid van het chromatine. Bovendien, rond gastrulatie werkt TET1 als een antagonist tegen PRC2 bij neuroectoderm promotors op een niet katalytische wijze, wat beïnvloed wordt door Wnt-signalering gereguleerd door TET1’s katalytische activiteit. Deze resultaten laten zien dat de functie van TET1 sterk afhankelijk is van de genetische context en het ontwikkelingstijdpunt.

In het tweede manuscript evalueren we eerst de NBD-percentages in embryo’s zonder Tet1 met verschillende genetische achtergronden. We definiëren een kwantitatieve eigenschapslocus (QTL) door genetische varianten te analyseren bij kruisingen tussen een hoog-penetrante en laag-penetrante stam. Door deze QTL activeren ESC’s afkomstig van de hoog-penetrante stam niet dezelfde signalerings-cascades als cellen van de laag-penetrante stam. Ten tweede beoordelen we hoe modulatie van foliumzuur inname (FZ) embryo’s zonder Tet1 beïnvloeden. Embryo’s zonder Tet1 reageren niet op FZ-toevoeging of tekorten, mogelijk als gevolg van ontbreken van een van de FZ-transporters. Toevoeging van FZ in embryo’s zonder leidt echter tot hypermethylatie en resulteert in het ontbreken van specifieke neurotransmittergenen. Deze resultaten onthullen een sterke onderlinge afhankelijkheid tussen het epigenoom en het genoom, wat de cellulaire respons op FZ-toevoeging en individuele vatbaarheid voor aangeboren aandoeningen beïnvloed.

In het laatste manuscript evalueer ik of een tekort aan vitamine C (VitC), een belangrijke co-factor voor dioxygenases en de katalytische activiteit van TET1 is, en resulteert in een soortgelijk fenotype als het verlies van Tet1. Afhankelijk van de genetische achtergrond resulteert een tekort aan VitC in grove embryonale misvormingen en ontwikkelingsachterstanden, maar geen NBD's. Verder resulteert vitamine C-tekort in combinatie met verlies van TET1 in een exacerbatie van de malformaties en ontwikkelingsachterstanden, wat suggereert dat het geobserveerde fenotype niet simpel het gevolg zijn van een verstoring van de katalytische functie van TET1. Bovendien detecteren we een toename in locus specifieke 5mC en een globale toename in H3K9me2. Deze resultaten benadrukken de rol van VitC bij het moduleren van het foetale epigenoom en de gen-omgevingsinteracties tijdens de vroege ontwikkeling.

In conclusie, de rol van TET1 in de embryonale ontwikkeling is veelzijdig en genuanceerd, waarbij zowel de niet-katalytische functie als de 5mC-oxiderende functie betrokken zijn. De impact van TET1 en andere dioxygenases op NBD’s wordt beïnvloed door genetische variatie en omgevingsfactoren, die de gevoeligheid voor aangeboren afwijkingen en ziekten op latere leeftijd kunnen beïnvloeden.