Epigenetic dysregulation in alcohol dependence and borderline personality disorder

Abstract

Alcohol dependence and borderline personality disorder are two complex psychiatric disorders. Although studies indicate a high genetic heritability of 40 – 60% for these diseases, the remaining variability still has to be investigated. One major contributor to this “missing heritability” is thought to be explained by epigenetics. Epigenetics includes a number of pathways that ultimately alter gene expression. The most studied mechanism is DNA methylation, which occurs on cytosines in the context of cytosine-guanine dinucleotides. Methylation of DNA can act as steric hindrance and, by recruiting further proteins, promote histone deacetylation and additional de novo DNA methylation usually resulting in decreased gene expression. Here, we examined epigenome-wide T cell DNA methylation in alcohol dependent patients compared to healthy controls, as well as before and after an alcohol treatment. We found that global DNA methylation was decreased in patients compared to controls, but reverted back after the alcohol treatment, leading to the loss of significant differences compared to controls. In addition, we identified unique sets of differentially methylated sites and genes between patients and controls and between patients pre- and posttreatment. From these unique sets, we further identified sites and genes which changed during the alcohol treatment. To verify our epigenome-wide results, we validated our top-ranked hits by pyrosequencing and, additionally, aimed to replicate them in an independent cohort and in whole blood DNA. The fact that we found both SRPK3 and HECW2 differentially methylated in T cells and in whole blood supports their potential value as novel blood-based biomarkers for alcohol dependence. In addition, we investigated DNA methylation of APBA3 and MCF2 in borderline personality disorder patients compared to healthy controls as well as before and after a 12-week dialectical behavior therapy. Although we did not detect statistically significant differences in DNA methylation between patients and controls, we found that both genes were higher methylated pre-treatment in patients responding to therapy compared to non-responders. This indicates that APBA3 and MCF2 DNA methylation might be potential candidates of novel predictive epigenetic biomarkers for dialectical behavior therapy outcome. However, further studies are needed to replicate these results in independent cohorts and to decipher the role these genes might play in the respective disease.

Zu den komplexen psychiatrischen Erkrankungen zählen unter anderem Alkoholabhängigkeit und die Borderline Persönlichkeitsstörung. Beide Erkrankungen haben eine vergleichsweise hohe genetische Heritabilität von 40 – 60%. Die verbleibende Variabilität kann unter anderem durch die Epigenetik erklärt werden. Epigenetik umfasst mehrere molekulare Mechanismen, darunter die DNA Methylierung. Diese enzymatische Modifikation geschieht an Cytosinen, die in einem Cytosin-Guanin-Dinukleotid präsent sind. Methylierte Cytosine können sowohl als direkte sterische Hinderung von Transkriptionsfaktoren agieren, als auch durch die Rekrutierung weiterer Proteine die Acetlyierung von Histonen und die de novo Methylierung der DNA bewirken. Diese Modifikationen führen in der Regel zu einer verminderten Genexpression. In dieser Arbeit wurde die epigenomweite DNA Methylierung in T-Zellen zwischen alkoholabhängigen Patienten und gesunden Kontrollen sowie zwischen den Patienten vor und nach einer Alkoholentzugstherapie untersucht. Die epigenomweite Methylierung der Patienten war im Vergleich zu den Kontrollen signifikant niedriger, glich sich jedoch nach der Therapie den Werten der Kontrollen an. Des Weiteren wurden etliche signifikant unterschiedlich methylierte Sites und Gene zwischen Patienten und Kontrollen und zwischen Kontrollen vor und nach dem Entzug gefunden. Um die epigenomweiten Ergebnisse zu verifizieren, wurden vier signifikante Sites durch Pyrosequenzierung validiert und in einer weiteren, unabhängigen Kohorte repliziert. Durch die weitere Replizierung in Vollblut könnten die Methylierung von SRPK3 und HECW2 künftig potentiell als neue, epigenetische Biomarker für Alkoholabhängigkeit dienen. Zusätzlich wurde die Methylierung von APBA3 und MCF2 in Patienten mit Borderline Persönlichkeitsstörung untersucht. Im Vergleich zwischen Patienten und Kontrollen fanden sich keine signifikanten Unterschiede. Wurden die Patienten jedoch nach der dialektisch-behavioralen Therapie in eine Responder und eine Non-Responder Gruppe eingeteilt, war die Methylierung beider Gene vor der Therapie bei den Respondern signifikant erhöht. Somit könnte die Methylierung von APBA3 und MCF2 als prädiktiver Biomarker für den Therapieerfolg der dialektisch-behavioralen Therapie geeignet sein. Weitere Studien mit größeren und unabhängigen Kohorten werden jedoch benötigt, um diese Ergebnisse zu validieren und replizieren und die Rolle dieser Gene in den jeweiligen Erkrankungen zu untersuchen.