Implementation of modern methods to identify DNA methylation marks for episodic memory impairment and Alzheimer’s disease

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease and a common cause of dementia worldwide. The pathogenic mechanisms of AD are not completely understood. Both genetic and external factors, like lifestyle and other diseases, can alter AD risk. The impact of external factors may be mediated by epigenetic mechanisms, like DNA methylation. The first clinical symptoms of AD usually manifest as episodic memory impairment (EMI), however, AD can be diagnosed only at a later stage when neurodegeneration is far-progressed. New methods are required to enable early diagnosis and characterization of the disease mechanisms.

The main goals of this study were to implement new methods for characterization of disease marks and mechanisms and to identify new DNA methylation marks for EMI and AD with these methods. Reduced Representation Bisulfite Sequencing (RRBS) was first implemented by utilising human embryonic stem cells and by identifying DNA methylation changes in these cells during transformation to abnormal karyotype. RRBS was then utilised to identify blood DNA methylation marks for AD in Finnish disease discordant twin pairs. Such marks were detected in eleven genomic regions and the one in adenosine deaminase RNA specific B2 gene (ADARB2) was validated in Swedish twin cohorts. A new twin sample cohort was collected and genome-wide bisulphite sequencing method was implemented to identify plasma cell-free DNA methylation marks for EMI. No markers were detected. Patient-specific induced pluripotent stem cell lines and a brain organoid model were generated to study the pathogenic mechanisms of AD.

In conclusion, the results show that DNA methylation marks associated with AD can be detected not only in the brain but also in blood, however, more research is required to evaluate whether these marks can be utilised in diagnostics. Several methods enabling identification of disease marks were successfully implemented, samples from a new cohort were collected and pluripotent stem cell-based model was established to study AD. These resources will be valuable for future research aiming to identify mechanisms and markers for AD.

Alzheimerin tauti (AT) on keskushermoston rappeumaan johtava sairaus, joka aiheuttaa yli puolet maailman dementiatapauksista. Taudin aiheuttajia ei vielä täysin tunneta. Sekä perintötekijät että ulkoiset tekijät, kuten elintavat ja muut sairaudet vaikuttavat AT-riskiin. Ulkoisten tekijöiden vaikutus saattaa johtua muutoksista epigeneettisissä mekanismeissa, kuten DNA:n metylaatiossa. Episodisen muistin heikkeneminen (EMH) aiheuttaa yleensä AT:n ensimmäiset kliiniset oireet, mutta sairaus pystytään diagnosoimaan vasta huomattavasti myöhemmin, jolloin hermo-solutuho on edennyt jo pitkälle. Tarvitaan uusia menetelmiä AT:n mekanismien tutkimiseen sekä sairauden varhaiseen diagnosointiin.

Tämän tutkimuksen päätavoitteina oli ottaa käyttöön uusia menetelmiä tautimarkkerien ja -mekanismien tutkimiseen sekä etsiä niiden avulla DNA-metylaatiomarkkereita AT:lle sekä EMH:lle. RRBS (Reduced Representation Bisulfite Sequencing) otettiin ensin käyttöön tutkimalla DNA-metylaatiomuutoksia ihmisen alkion kantasoluissa niiden karyotyyppien muuttuessa epänormaaleiksi. Seuraavaksi RRBS:n avulla tunnistettiin AT:hen liittyviä metylaatiomarkkereita veressä suomalaisilla kaksospareilla, joista toisella on AT ja toisella ei. Markkereita havaittiin 11 genomin alueella. Näistä yksi, joka sijaitsi adenosine deaminase RNA specific B2 -geenissä (ADARB2), validoitiin ruotsalaisessa kaksosaineistossa. Keräsimme näytteitä uuteen kaksosaineistoon, jossa tutkimme EMH:hon liittyviä metylaatiomarkkereita plasman soluvapaassa DNA:ssa. Merkittäviä markkereita ei havaittu. Lopuksi perustimme indusoidut pluripotentit kantasolulinjat sekä aivo-kudosmallin AT:hen liittyvien mekanismien tutkimista varten.

Tämän tutkimuksen aikana otettiin käyttöön useita uusimpia genomin ja epigenomin tutkimusmenetelmiä. Keräsimme arvokkaan näyteaineiston, jota voidaan hyödyntää muistin heikentymisen tutkimuksessa. Tutkimuksen tulosten mukaan AT:hen liittyviä DNA-metylaatiomuutoksia on havaittavissa aivokudoksen lisäksi myös veressä. Tarvitaan kuitenkin lisätutkimuksia selvittämään, voidaanko metylaatiomarkkereita hyödyntää AT:n diagnostiikassa.