Analysis of POMC DNA methylation variability and the impact on hypothalamic body weight regulation

Abstract

Obesity is a disease with a rapidly increasing prevalence worldwide, accompanied by comorbidities like cardiovascular diseases or diabetes mellitus type 2. This represents an enormous burden for health care systems. However, the underlying mechanisms that might explain the individual risk for the development of obesity remain mainly unclear. proopimelanocortin (POMC) plays a central role in hypothalamic satiety regulation through the leptin-melanocortin pathway. Mutations within the POMC gene are leading to severe early-onset obesity and can be successfully treated with a melanocortin 4 receptor (MC4R) agonist. In addition to rare genetic mutations, epigenetic variations of the POMC gene correlate with body weight. The DNA methylation at the variable methylated region (VMR) at the beginning of exon 3 of the POMC gene was significantly increased in obese children and adults compared to normal weight controls, which was confirmed in postmortem hypothalamic neurons. In the present PhD-project, in order to characterize this epigenetic variant more specifically, we provide evidence that the POMC methylation variability seems to occur independently of any genetic variant by conducting a genome-wide-association study. This data argues for a stochastic setting of the POMC DNA methylation signature during the early in utero stadium, which is supported by our evidence of high methylation concordance between monozygotic twins, sharing this period on a cellular level, as opposed to dizygotic twins. Moreover, the difference in methylation between obese and normalweight individuals has been reproduced, and a sex-specific effect was uncovered. To disentangle the relationship between increased methylation and neuronal function and model the in utero establishment of methylation patterns, we established a stem cell based model. Assessing the transition of naïve human embryonic stem cells (hESC) blending into primed hESCs and then further differentiation into hypothalamic-like neurons, we could mimic the dynamics observed in human embryonic tissue using publicly available whole methylome data sets. Furthermore, we analyzed the impact of nutritional factors during early DNA methylation patterning. Carbon-1 (C1)-metabolite concentrations were varied during the formative transition phase prior to differentiation. The developed stem cell model is used to study the susceptible early embryonic phase, modeled between the naïve cell stage and the formative transition. Moreover, we evaluated the POMC expression of differentiated neurons according to their POMC DNA methylation and observed a significant negative correlation between DNA methylation and POMC expression. Taken together, this data supports the hypothesis that increased POMC methylation is an epigenetic risk factor for developing obesity, which might be related to impaired function of the leptin-melanocortin pathway.

Die Prävalenz von Adipositas nimmt weltweit stark zu und stellt durch die damit einhergehenden Begleiterkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Diabetes mellitus Typ 2 eine enorme Belastung für die Gesundheitssysteme dar. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die das individuelle Risiko für die Entwicklung von Adipositas erklären könnten, sind jedoch nach wie vor weitgehend unklar. Proopimelanocortin (POMC) spielt über den Leptin-Melanocortin-Weg eine zentrale Rolle in der hypothalamischen Sättigungsregulation. Mutationen im POMC Gen führen zu schwerer, früh einsetzender Adipositas und können erfolgreich mit einem Melanocortin 4 Rezeptor (MC4R) -Agonisten behandelt werden. Zusätzlich zu genetischen Mutationen korrelieren auch epigenetische Variationen des POMC Gens mit dem Körpergewicht. Die DNA-Methylierung an der variabel methylierten Region (VMR) am Anfang von Exon 3 des POMC Gens war bei Adipösen im Vergleich zu normalgewichtigen Kontrollen signifikant erhöht, was in postmortem hypothalamischen Neuronen bestätigt wurde. Um diese epigenetische Variante genauer zu charakterisieren, haben wir im vorliegenden Dissertationsprojekt durch eine genomweite Assoziationsstudie nachgewiesen, dass die POMC Methylierungsvariabilität unabhängig von einer genetischen Variante aufzutreten scheint. Diese Daten sprechen für eine stochastische Einstellung der POMC DNA Methylierungssignatur während des frühen in utero Stadiums, was durch unseren Nachweis einer hohen Methylierungskonkordanz zwischen eineiigen Zwillingen unterstützt wird. Darüber hinaus konnte der Unterschied in der Methylierung zwischen adipösen und normalgewichtigen Personen reproduziert und ein geschlechtsspezifischer Effekt aufgedeckt werden. Um den Zusammenhang zwischen erhöhter Methylierung und neuronaler Funktion zu entschlüsseln und die in utero Etablierung von Methylierungsmustern zu modellieren, haben wir ein stammzellbasiertes Modell entwickelt. Indem wir den Übergang von naiven humanen embryonalen Stammzellen (hESC) in geprimte hESCs und dann die weitere Differenzierung in hypothalamusähnliche Neuronen untersuchten, konnten wir die im menschlichen Embryonalgewebe beobachtete Dynamik mit Hilfe von öffentlich verfügbaren Methylom-Datensätzen nachahmen. Darüber hinaus analysierten wir den Einfluss von Ernährungsfaktoren während der frühen Etablierung der DNA Methylierung. Die Konzentrationen von Kohlenstoff 1 (C1)-Metaboliten wurden während der formativen Übergangsphase vor der Differenzierung variiert. Darüber hinaus haben wir die POMC-Expression der differenzierten Neuronen anhand ihrer POMC DNA Methylierung bewertet und eine signifikante negative Korrelation zwischen DNA Methylierung und POMC-Expression festgestellt. Zusammengenommen unterstützen diese Daten die Hypothese, dass eine erhöhte POMC Methylierung ein epigenetischer Risikofaktor für die Entwicklung von Adipositas ist, der mit einer gestörten Funktion des Leptin-Melanocortin-Signalwegs zusammenhängen könnte.