Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
Investigation of epigenetic gene regulatory networks associated with autism spectrum disorder (ASD) by global retrotransposon line1 methylation analysis
Year (A.D.)
2017
Document Type
Thesis
First Advisor
เทวฤทธิ์ สะระชนะ
Faculty/College
Faculty of Allied Health Sciences (คณะสหเวชศาสตร์)
Department (if any)
Department of Clinical Chemistry (ภาควิชาเคมีคลินิก)
Degree Name
วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต
Degree Level
ปริญญาโท
Degree Discipline
ชีวเคมีคลินิกและอณูทางการแพทย์
DOI
10.58837/CHULA.THE.2017.823
Abstract
ออทิซึมสเปกตรัมเป็นความผิดปกติที่เกี่ยวกับการพัฒนาของระบบประสาทและสมองที่มีความชุก 1 ใน 68 คนของเด็กในสหรัฐอเมริกา โดยจะมีระดับความรุนแรงและอาการแสดงทางคลินิกแตกต่างกันออกไปในแต่ละบุคคล ออทิซึมสเปกตรัมจัดเป็นโรคที่ไม่ทราบสาเหตุการเกิดที่แน่ชัด แต่เป็นที่เชื่อกันว่าสาเหตุของการเกิดโรคนั้นอาศัยปัจจัยร่วมหลายปัจจัย ได้แก่ ทั้งปัจจัยทางพันธุกรรมและปัจจัยทางสิ่งแวดล้อม การวินิจฉัยออทิซึมสเปกตรัมในปัจจุบัน ใช้วิธีอิงจากการสังเกตพฤติกรรมผู้ป่วย วินิจฉัยโรคและความรุนแรงตามลักษณะอาการทางคลินิกเท่านั้น ยังไม่มีสารบ่งชี้ทางห้องปฏิบัติการทางการแพทย์ที่สามารถใช้ในการวินิจฉัย หรือติดตามความรุนแรงของโรคอย่างจำเพาะ โดยผลการศึกษาก่อนหน้านี้ แสดงให้เห็นว่าผู้ป่วยโรคออทิซึมสเปกตรัมมีความผิดปกติในระดับอณูชีวโมเลกุลมากมายทั้งในสมองและเลือด ซึ่งมีหลายประการที่สอดคล้องกับพยาธิสภาพระดับชีวโมเลกุลที่เกิดขึ้นในสมอง อย่างไรก็ตาม ยังไม่มียีนหรือโปรตีนชนิดใดที่สามารถใช้ในการอธิบายโรคออทิซึมสเปกตรัมได้ทั้งหมดในปัจจุบัน แสดงให้เห็นว่าอาจมีกลไกอื่น ๆ ที่สามารถทำให้เกิดพยาธิสภาพได้ ยิ่งไปกว่านั้น แม้โรคออทิซึมสเปกตรัมจะเป็นโรคที่มีอัตราการถ่ายทอดทางพันธุกรรมสูง แต่มีฝาแฝดร่วมไข่จำนวนไม่น้อยที่คนหนึ่งเป็นโรคแต่อีกคนไม่เป็น หรือมีระดับความรุนแรงของโรคไม่เท่ากัน เนื่องจากฝาแฝดร่วมไข่มีลำดับเบสของดีเอ็นเอที่เหมือนกันทุกประการเมื่อแรกเกิด แสดงให้เห็นว่า กลไกเหนือพันธุกรรมหรือเอพิเจเนติกส์อาจเป็นสาเหตุหรือมีความเกี่ยวข้องกับการเกิดโรคออทิซึมสเปกตรัม รีโทรทรานสโพซอนไลน์วัน (retrotransposon LINE-1) เป็นส่วนของจีโนมที่สามารถเคลื่อนที่ได้ และมีอยู่ถึงประมาณร้อยละ 20 และในจีโนมมนุษย์ อย่างไรก็ตามบทบาทของ LINE-1 ในผู้ที่เป็นออทิซึมสเปกตรัมยังคงไม่ทราบแน่ชัด แต่มีรายงานว่าพบการควบคุมที่ผิดปกติของ LINE-1 ในสมองของหนูที่ขาด MECP2 และมีพฤติกรรมคล้ายออทิซึมสเปกตรัม ดังนั้นคณะผู้วิจัยจึงทำการวิเคราะห์ระดับเมธิเลชันของ LINE-1 เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงระดับเมธิเลชันของ LINE-1 ในเซลล์ของผู้ที่เป็นออทิซึมสเปกตรัม และผลต่อการแสดงออกของยีน รวมไปถึงบทบาทหน้าที่ทางชีวภาพของยีนนั้น ๆ โดยทำการศึกษาในเซลล์ไลน์เม็ดเลือดขาว (lymphoblastoid cell lines; LCLs) ของผู้ที่เป็นออทิซึมสเปกตรัมและคนปกติ นอกจากนี้ยังได้ทำการวิเคราะห์ทางชีวสารสนเทศศาสตร์ร่วมด้วย โดยได้ทำการวิเคราะห์ร่วมระหว่างรายชื่อยีนที่มี LINE-1 แทรกตัวอยู่และมีการแสดงออกที่ผิดปกติในผู้ที่เป็นโรคออทิซึมสเปกตรัม และได้คัดเลือกรายชื่อยีนมาทำการศึกษาบาทหน้าที่ทางชีวภาพ และความสัมพันธ์ของเครือข่ายการควบคุมยีนของยีนเหล่านั้นด้วยโปรแกรม Ingenuity Pathway Analysis (IPA) ซึ่งพบว่ายีนเหล่านั้นอาจจะมีความสัมพันธ์กับโรคทางระบบประสาทและสมอง ในส่วนของการวิเคราะห์ระดับเมธิเลชันของ LINE-1 ในดีเอ็นเอซึ่งสกัดมาจาก LCLs ของผู้ที่เป็นโรคออทิซึมสเปกตรัมและคนปกติ และดำเนินการโดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ Combined Bisulfite Restriction Analysis (COBRA) ซึ่งพบว่าใน LCLs ของกลุ่มตัวอย่างที่เป็นออทิซึมสเปกตรัมมีระดับเมธิเลชันของ LINE-1 ที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อเทียบกับคนปกติ และเมื่อทำการวิเคราะห์ระดับเมธิเลชันของ LINE-1 ในแต่ละกลุ่มของ LCLs ที่เป็นออทิซึมสเปกตรัม ซึ่งถูกจัดแบ่งกลุ่มตามหลักเกณฑ์ของ ADI-R เนื่องจากออทิซึมสเปกตรัมเป็นโรคที่มีลักษณะอาการและความรุนแรงที่หลากหลายมาก คณะผู้วิจัยพบว่าแต่ละกลุ่มมีรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของระดับเมธิเลชันของ LINE-1 ที่จำเพาะ และในบางกลุ่มไม่พบการเปลี่ยนแปลงของระดับเมธิเลชันของ LINE-1 นอกจากนี้ยังพบว่าการเมธิเลชันของ LINE-1 มีความสัมพันธ์กับการแสดงออกของ LINE-1, C1orf27 และ ARMC8 โดยการวิเคราะห์ด้วย quantitative RT-PCR การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าในผู้ที่เป็นออทิซึมสเปกตรัมบางกลุ่ม มีกลไกการควบคุมการเมธิเลชันของ LINE-1 ที่ผิดปกติ และอาจไปรบกวนการแสดงออกของ LINE-1 และเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนที่มี LINE-1 แทรกตัวอยู่ ซึ่งอาจมีความสัมพันธ์กับสาเหตุของการเกิดโรคและความผิดปกติในออทิซึมสเปกตรัม ดังนั้นการศึกษานี้จึงทำให้มีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับการเมธิเลชันของ LINE-1 ต่อกลไกการเกิดโรคหรือต่อความเสี่ยงในการเกิดออทิซึมสเปกตรัมได้ดีมากขึ้น แต่อย่างไรก็ตามควรมีการศึกษาบทบาทความสำคัญของ LINE-1 ในผู้ที่เป็นออทิซึมสเปกตรัมเพิ่มเติมต่อไปในอนาคต
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
Autism spectrum disorder (ASD) is a group of neurodevelopmental disorders with the prevalence of 1 in 68 children in United States. The exact cause of ASD remains unclear. Long Interspersed Element-1 (LINE-1) is a transposable element which makes up approximately 20% of the human genome. The function of LINE-1 is still unclear but the dysregulation of LINE-1 has been reported in the brain of MECP2-mutant mice which exhibit ASD-like behaviors. However, the role of LINE-1 in individuals with ASD remains unknown. In this study, we therefore aimed to investigate the regulation of LINE-1 in ASD by DNA methylation and gene expression profiling analyses. To determine whether ASD-related genes contain LINE-1 insertions, we conducted a meta-analysis of gene expression profiles previously published in transcriptomic studies in ASD. Pathway analysis of genes that are differentially expressed and predicted to contain LINE-1 insertions were conducted using Ingenuity Pathway Analysis (IPA). To determine whether DNA methylation on LINE-1 may regulate the expression of LINE-1 and the LINE-1-containing genes, DNA methylation analysis of lymphoblastoid cell lines from ASD and unaffected individuals was performed, and the LINE-1 methylation levels were correlated with the expression of LINE-1. Moreover, the expression of two differentially expressed genes (i.e. C1orf27 and ARMC8) predicted to contain LINE-1 insertions, were also validated by qRT-PCR analysis. Meta-analysis of ASD transcriptome profiles from independent studies revealed 501 genes that are differentially expressed and potentially contain LINE-1 insertions. IPA analysis showed that these genes are involved in ASD-related mechanisms and networks, including sex hormone receptor signaling and axon guidance signaling. Moreover, we found that LINE-1 methylation was dysregulated in ASD, and further subgrouping of ASD individuals based on the Autism Diagnostic Interview-Revised scores revealed specific methylation patterns that were altered in each subgroup. Furthermore, LINE-1 methylation levels were correlated with the expression of LINE-1, C1orf27, and ARMC8. Our study demonstrates that at least in some ASD individuals LINE-1 methylation is dysregulated, which potentially causes disruptions in LINE-1 expression and may alter the expression of LINE-1-containing genes associated with ASD etiology or susceptibility. The role of LINE-1 in ASD deserves further investigation.
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
ตั้งสุวรรณศรี, ชญานิน, "การศึกษาเครือข่ายควบคุมยีนโดยภาวะเหนือพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับโรคออทิซึมสเปกตรัมด้วยการวิเคราะห์ระดับเมธิเลชันของรีโทรทรานสโพซอนไลน์วัน" (2017). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 1313.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/1313