Die vorliegende Dissertationsarbeit untersucht den Zusammenhang von Veränderungen der DNA-Methylierung (DNAm) im menschlichen Gehirn mit neuropathologischen Veränderungen der Alzheimer-Erkrankung im hohen Lebensalter. Angesichts der alternden Bevölkerung beleuchtet diese Arbeit zunächst die gesundheitspolitische Relevanz der Erforschung von Demenz-Erkrankungen. Ein umfassender Überblick über den aktuellen Forschungsstand zur Pathogenese, post-mortem Diagnostik und klinischen Diagnosestellung der Alzheimer-Erkrankung führt zur eingehenden Betrachtung eines möglichen Pathomechanismus: der Epigenetik. Hierbei wird die Methylierung als eine Form epigenetischer Veränderungen genauer erläutert. Die im Rahmen dieser Promotion veröffentlichte Forschungsarbeit bildet schließlich den Kern dieser Dissertationsschrift. Die Forschungsarbeit umfasste eine Kohorte von 47 Teilnehmern der 90+ Studie der University of California, Irvine, im Alter von über 90 Jahren. Wir extrahierten DNA aus in Formalin-fixiertem, Paraffin-eingebettetem post-mortem Gewebe aus acht verschiedenen Hirnregionen. Mit Hilfe des Illumina Infinium MethylationEPIC BeadChip und computergestützter Zelltyp-Dekonvolution (EpiSCORE, TCA) wurden Zelltyp-spezifische Methylierungsmuster gewonnen. Wir analysierten DNAm-Veränderungen in Assoziation mit drei neuropathologischen Veränderungen der Alzheimer-Erkrankung: Amyloid beta (Aβ) Plaques, neurofibrilläre Tangles und neuritische Plaques. Die meisten DNAm-Veränderungen wurden in Neuronen des Gyrus dentatus und des Gyrus cinguli festgestellt. Speziell in Neuronen des Gyrus dentatus beobachteten wir einen Zusammenhang zwischen zunehmender Aβ-Belastung und DNAm-Veränderungen in Promotorregionen von Genen des Gamma-Sekretase-Komplexes sowie Genen der Clathrin-vermittelten Endozytose. Im Gegensatz dazu zeigten Neuronen des Gyrus cinguli insbesondere DNAm-Veränderungen in Zusammenhang mit steigender Belastung durch neurofibrilläre Tangles. Diese Arbeit stellt die bisher umfassendste Array-basierte Methylierungsstudie des menschlichen Gehirns im hohen Lebensalter dar. Besonders hervorzuheben sind unsere Entdeckungen in bisher in diesem Zusammenhang unerforschten kleinen Hirnregionen wie dem Gyrus dentatus. Der veröffentlichte Datensatz kann als Referenz für hirnregionen-spezifische Methylierungsmuster in künftigen Studien dienen und so wesentlich zur Erforschung von Alterungsprozessen und Neurodegeneration beitragen.
This present doctoral thesis examines the association between changes in DNA methylation (DNAm) in the human brain and neuropathological alterations associated with Alzheimer's disease in advanced age. In light of the aging population, this work initially sheds light on the health policy relevance of investigating dementia disorders. Providing an extensive overview of the current research status concerning Alzheimer's disease pathogenesis, post-mortem diagnostics, and clinical diagnosis leads to an in-depth exploration of a potential pathomechanism: epigenetics. Within this framework, methylation is elucidated as a form of epigenetic modification. The research work conducted for this dissertation involved 47 participants from the University of California, Irvine's 90+ Study, all aged over 90. Post-mortem, we extracted DNA from formalin-fixed, paraffin-embedded tissue samples obtained from eight different brain regions. Using the Illumina Infinium MethylationEPIC BeadChip and computational cell-type deconvolution algorithms (EpiSCORE, TCA), we obtained cell-type-specific methylation patterns. We analyzed DNA methylation changes in association with three neuropathological alterations of Alzheimer's disease: amyloid beta (Aβ) plaques, neurofibrillary tangles, and neuritic plaques. The majority of DNAm changes were identified in neurons of the dentate gyrus and the cingulate gyrus. Specifically, in neurons of the dentate gyrus, we observed an association between increasing Aβ burden and DNAm changes in promoter regions of genes related to the gamma-secretase complex and genes involved in clathrin-mediated endocytosis. On the other hand, neurons of the cingulate gyrus exhibited DNAm changes notably associated with increasing neurofibrillary tangles burden. This work represents the most comprehensive array-based methylation study of the human brain in advanced age (90+). Particularly notable are our findings in previously unexplored small brain regions in this context, such as the dentate gyrus. The dataset published within this study can serve as a reference for brain-region-specific methylation patterns in future studies, thus making a significant contribution to research in aging and neurodegeneration.
