Association between POMC, MC4R and HNF4A methylation in cord blood and metabolic profiles aged 7–9 years

Abstract

최근 대사증후군이 유전적인 요인과 환경적인 요인에 의해 관련되어 있다고 알려져 있다. 대사관련 유전자들의 후생학적 조절과 혈중 대사 지표와의 관련성은 많이 보고되고 있지만, 제대혈에서 유전자의 후생학적 변화가 아이들의 대사 지표에 미치는 영향은 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 태아프로그래밍 저체중 동물 모델에서 밝혀진 식욕 조절에 관여하는 프로오피오멜라노코르틴(POMC), 멜라노코르틴 4 수용체 (MC4R), 지질 대사에 관여하는 간세포핵인자-4 알파 (HNF4)를 후보유전자로 선택하였다. 이들 유전자의 제대혈에서 후생유전학적 변화가 7-9세 아이들의 혈중 대사 지표에 미치는 영향을 분석하고, 대사증후군을 예측할 수 있는 조기 지표로서의 이용 가능성을 알아보고자 하였다. 본 연구는 세 가지 연구디자인으로 구성하였다. 첫 번째는 코호트 내 환자-대조군 연구에서는 세 유전자의 메틸화 수준과 혈중 대사 지표와의 관련성을 확인하기 위하여 7-9세 아이들의 비만아(체질량지수 85%이상) 41명과 정상 체중아 89명에서 분석하였다. 두 번째는 환자-대조군 연구에서는 저체중으로 출생한 아이들이 성인기에 비만이 된다는 태아프로그래밍 가설에 근거하여 임신주수 37주 이전에 태어난 조산아 85명과 정상분만으로 태어난 정상아 85명에서 세 유전자의 메틸화 수준과 대사 지표의 관련성을 분석하여 조기예측 지표로서의 가능성을 확인하고자 하였다. 마지막으로 전향적 코호트 연구에서는 총 90명의 아동을 대상으로 제대혈에서 세 유전자의 메틸화 수준이 7-9세 아이들의 대사 지표에 미치는 영향을 확인하고, 출생 시 메틸화 수준과 7-9세 아동시기의 메틸화 수준간의 연관성을 분석하였다. 연구를 수행하기 위하여 제대혈 및 아동 혈액에서 게놈 DNA를 추출하여 POMC 유전자의 엑손 3 영역, MC4R와 HNF4A 유전자의 프로모터 영역에서 메틸화 수준을 파이로시퀀싱을 이용하여 확인하였다. 혈액의 생화학적 농도는 (포도당, 트리글리세라이드 (TG), 콜레스테롤 (TC) 및 HDL-c) 자동분석기로 측정하였다. 또한 insulin과 leptin 농도는 면역측정법으로 측정하였다. 세 유전자의 메틸화 수준과 대사 지표와의 관련성을 확인하기 위해 상관 분석과 다중 선형 회귀분석을 사용하였다. 세 유전자의 메틸화 수준과 대사 지표와의 관련성을 7-9세 시기의 비만아와 정상체중아에서 알아본 결과, 고 메틸화된 POMC 유전자에서는 낮은 HDL-c 농도를 보였고, HNF4A 유전자의 메틸화 수준과 TC와 insulin 농도와의 유의한 관련성을 보였다. 출생 시 정상아와 조산아에서 세 유전자의 메틸화 수준과 대사 지표와의 관련성을 본 결과, POMC 유전자의 메틸화 수준과 렙틴 농도 사이의 관련성과, MC4R와 HNF4A 유전자의 메틸화 수준과 TG 농도 사이의 관련성이 정상아와 조산아에서 유의한 차이를 보였다. 또한 높은 TG 농도를 가진 조산아에서 MC4R와 HNF4A 유전자의 메틸화 수준이 유의하게 낮게 나타났다. 제대혈에서 세 유전자의 메틸화 수준이 7-9세 아이들의 대사 지표에 미치는 영향과 출생 시 메틸화 수준이 7-9세까지 지속되는지 알아본 결과, 제대혈에서 POMC 유전자의 메틸화 수준과 아이들의 TC와 HDL-c 농도와의 유의한 관련성을 보였다. 또한 출생 시 제대혈에서 MC4R 유전자의 메틸화 수준과 TG 농도와의 유의한 관련성을 보였고, HNF4A 유전자의 메틸화 수준과 TG와 insulin 농도와의 유의한 관련성을 보였다. 또한 POMC 유전자의 메틸화 수준은 출생시부터 7-9세 시기까지 지속되는 반면, MC4R와 HNF4A 유전자의 메틸화 수준은 변했다. 따라서, 본 연구는 출생 시 제대혈에서 POMC, MC4R, HNF4R의 메틸화 수준이 7-9세 시기의 아이들의 혈중 대사 지표에 영향을 미치고, 더 나아가 성인이 되었을 때 대사증후군 및 비만을 예측할 수 있는 조기 마커로서 가능성을 제시하였다.;Recent studies suggest that epigenetic variations explain a part of variability in risk factors as obesity and metabolic disorders. The associations between epigenetic regulation of metabolism-related genes and metabolic profiles in humans have been established. However, little is known about epigenetic modifications of genes at birth that affect metabolic profiles in childhood. Previous studies have shown that pro-opiomelanocortin (POMC), melanocortin 4 receptor (MC4R), and hepatocyte nuclear factor 4 alpha (HNF4A) genes are associated with obesity and metabolic syndrome (MetS). To identify early markers to predict of obesity and MetS and persistence of DNA methylation patterns from birth to childhood aged 7–9 years, first, we investigated the association between POMC, MC4R, and HNF4A methylation status and metabolic profiles in normal weight and obese children aged 7–9 years. Next, we evaluated the association between DNA methylation status and metabolic profiles in cord blood of term infants and preterm infants. Finally, we examined the association between DNA methylation in cord blood and metabolic profiles in children aged 7–9 years. We collected data and blood samples from three study designs; nested case–control study in 41 obese and 89 normal-weight children aged 7–9 years; case–control study with cord blood in 85 preterm and 85 term infants; prospective cohort study with cord blood at birth in 90 children aged 7–9 years at the Ewha Womans Medical Center. POMC methylation levels at exon 3 region, MC4R and HNF4A methylation levels at promoter regions in blood were assessed by pyrosequencing. Serum triglyceride (TG), total cholesterol (TC), and high-density lipoprotein cholesterol (HDL-c) levels were analyzed using biochemical analyzer. We then analyzed to verify the influence of DNA methylation on metabolic profiles by correlation and multiple regression analysis. The significant associations of POMC methylation status with HDL-c levels, and HNF4A methylation status with TC and insulin levels were identified in normal-weight and obese children aged 7–9 years. At birth, the beta coefficients for associations between POMC methylation status and leptin levels, and between MC4R and HNF4A methylation status and TG levels, differed significantly in cord blood between term infants and preterm infants. Hypermethylation of the POMC in cord blood showed lower HDL-c levels in children. While, hypomethylation status of the MC4R and HNF4A in cord blood was significantly correlated with higher TG levels in children. Moreover, hypermethylation status of the HNF4A in cord blood were found to be related to homeostasis model assessment (HOMA) index and insulin levels in blood of children. POMC methylation patterns can persist, whereas MC4R and HNF4A methylation status were changed from birth to age 7–9 years. These findings show that POMC, MC4R, and HNF4A methylation status in cord blood are associated with metabolic profiles in childhood aged 7–9 years. These epigenetic changes occurring in early life may contribute to subsequent MetS. Thus, we suggest that DNA methylations in cord blood may be early predictive markers of obesity and MetS in later life.