The role of genetic variation and DNA methylation in human glucose metabolism and type 2 diabetes

Abstract

The incidence of diabetes is increasing worldwide, with the most prevalent form being type 2 diabetes. Two fundamental processes contribute to the development of type 2 diabetes: insulin resistance in target organs and insufficient insulin secretion from the pancreatic beta-cells. The aim of this thesis was to explore the role of DNA methylation and common genetic variation on glucose metabolism and the pathogenesis of type 2 diabetes.

Reduced oxidative capacity of the mitochondria in skeletal muscle has been suggested to play a role in insulin resistance and type 2 diabetes. In studies I and II, we investigated the regulation of COX7A1 and ATP5O, which encode two subunits of the mitochondrial respiratory chain. We found that genetic variation and age were associated with skeletal muscle mRNA expression in both studies. mRNA levels were also positively correlated with the expression of the transcriptional co-activator PPARGC1A and insulin-stimulated glucose uptake, i.e., elderly individuals had reduced mRNA expression levels and reduced in vivo glucose uptake. Additionally, DNA methylation of the COX7A1 promoter was increased in elderly individuals concordant with the decrease in COX7A1 mRNA expression, suggesting a role for genetic, epigenetic and non-genetic factors in gene regulation.

In study III, we investigated a common genetic variant in MTNR1B that has previously been found to be associated with increased risk of type 2 diabetes, increased fasting plasma glucose and impaired insulin secretion in populations of European ancestry. We aimed to replicate these findings in a type 2 diabetes case-control cohort of Han Chinese ancestry. We confirmed the association between rs10830963 and both the risk of type 2 diabetes and increased fasting plasma glucose levels, suggesting a relatively ancient origin for this variant.

In study IV, common genetic variants that introduce or remove potential DNA methylation sites were selected based on their association with the risk of type 2 diabetes and changes in gene expression in blood. These genetic variants were analysed together with the level of DNA methylation and gene expression in human skeletal muscle, adipose tissue, blood and pancreatic islets. We found that 18 of the 19 sites that we analysed were associated with a difference in DNA methylation related to genotype, and for 11 of these sites this finding was consistent in all four tissues. Additionally, our data suggested a tissue-specific pattern of DNA methylation. Our results confirm an interaction between genetic and epigenetic mechanisms, which introduces a new level of complexity to our knowledge of gene regulation in type 2 diabetes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Diabetes är en grupp sjukdomar som alla kännetecknas av en förhöjd nivå av sockerarten glukos i blodet. Antalet individer som drabbas av diabetes ökar hela tiden, en utveckling som ses över hela världen. Bara i Sverige har drygt 5% av befolkningen diagnosen diabetes, motsvarande 484.400 personer i åldern 20-79 år.

Typ 2 diabetes är den vanligaste formen av diabetes, och kallades tidigare också åldersdiabetes. Denna form av diabetes är förknippad med övervikt och för lite motion. För att kroppen ska fungera optimalt måste halten av glukos i blodet hela tiden hållas på en jämn nivå, oavsett om man precis ätit en stor måltid eller om man sover. Stigande glukosnivåer i blodet regleras med hjälp av hormonet insulin, som får kroppens celler, framför allt i muskel och lever, att ta upp och lagra glukos. Insulin tillverkas och utsöndras från betaceller i bukspottskörteln.

Orsaken till typ 2 diabetes är ännu inte helt känd, men man vet att både miljöfaktorer och flera olika ärftliga faktorer spelar roll. Sjukdomen föregås ofta av en längre tid med insulin-resistens, ett tillstånd där kroppens celler inte längre svarar normalt på insulinets verkan, vilket försämrar upptaget av glukos från blodet. Till en början kan kroppen kompensera genom att öka utsöndringen av insulin, men när betacellerna i bukspottskörteln inte längre klarar av att upprätthålla detta stiger glukoshalterna och resulterar i typ 2 diabetes. Kroniskt höga halter av glukos i blodet kan ge upphov till en rad komplikationer, tex hjärt- och kärlsjukdomar som också är en av de största dödorsakerna i typ 2 diabetes.

Glukos som tas upp av kroppens celler kan lagras för senare bruk eller användas för att producera energi. Mitokondrien är den enhet i kroppens alla celler som står för produktionen av energi, i form av en molekyl som kallas ATP. Mitokondrien är uppbyggd av flera mindre enheter, och delar av dessa har visat sig vara mindre uttryckta i muskel hos patienter med typ 2 diabetes än i friska individer. Detta kan leda till att energiproduktion och omsättning av glukos i cellen inte fungerar optimalt, och därmed försämras också upptag av glukos från blodet till cellerna.

Vi har studerat två delar i mitokondriens mindre enheter, COX7A1 och ATP5O, för att ta reda på vad som reglerar deras uttryck och på så sätt kunna förstå varför nivåerna av dem är sänkta i muskelceller från typ 2 diabetiker. Vi fann att både COX7A1 och ATP5O påverkas negativt av ökad ålder och av ärftliga faktorer, och vi upptäckte också att en minskning av dem bidrog till sämre glukosupptag från blodet. COX7A1 visade sig också vara negativt påverkad av epigenetiska faktorer, i form av ökad DNA-metylering.

Epigenetik är ett dynamiskt fenomen som kan kontrollera när, var och hur ett arvsanlag ska komma till uttryck. Epigenetiska förändringar inträffar under livets gång och skiljer sig åt mellan olika celler och olika organ. Detta är i stor kontrast till genetiken, som omfattar vårt arvsanlag ordnat i en lång kedja av DNA som är konstant över tid och i alla kroppens celler. Ordningen på beståndsdelarna i DNA-kedjan utgör den genetiska informationen, vårt arv. Epigenetiken påverkar inte arvsmassan direkt, men kan påverka hur arvsmassan tolkas och kommer till uttryck i kroppen, och fungerar som cellens minne.

DNA-metylering är ett exempel på epigenetisk reglering, där en metylgrupp (-CH3) binder till DNA-kedjan och påverkar hur arvsanlaget kommer att tolkas. Detta är en reversibel process, dvs metylgrupperna kan tas bort igen, och beroende på i vilka celler och organ, samt när DNA-metyleringen sker, så kommer vårt arvsanlag att uttryckas på olika sätt.

Vanligt förekommande genetisk variation kan användas för att identifiera regioner i vår arvsmassa som ökar risken för att drabbas av sjukdomar, som tex typ 2 diabetes. Vi har studerat genetisk variation i en region av arvsmassan som innehåller genen för MTNR1B. Uttryck av denna gen ger produktion av en enhet där melatonin kan binda in, ett hormon som påverkas av ljuset och hjälper kroppen att reglera dygnsrytmen. Genetisk variation i MTNR1B har tidigare visat sig ha ett samband med risk att drabbas av typ 2 diabetes. Arvsanlaget skiljer sig åt mellan olika individer och det är därför vi alla är olika och har olika risk för att drabbas av sjukdomar. Skillnaderna i arvsanlag skiljer sig dessutom åt mellan personer med olika etniskt och geografiskt ursprung. Vårt syfte var att ta reda på om den genetiska variationen i MTNR1B som ökar risken för typ 2 diabetes i européer, också har samma effekt hos personer från Shanghai i Kina. Resultaten visade att samma genetiska variation var förknippad med ökad risk för typ 2 diabetes och med högre blodsockernivåer också i de studerade individerna från Kina. Effekten var av samma storlek som visats i européer i de tidigare studierna, men riskvarianten är vanligare i individerna med kinesiskt ursprung och har därför påverkan på en större andel av befolkningen.

Slutligen ville vi kombinera genetisk variation med DNA metylering för att få djupare förståelse av hur regleringen av vårt arvsanlag går till. Vi valde genetiska varianter som tidigare visat sig ha en koppling till typ 2 diabetes och som också påverkar hur arvsanlagen i närheten uttrycks i blod. Dessutom inkluderades bara genetiska varianter som kan påverka DNA-metylering, dvs som antingen ger upphov till eller tar bort en sekvens i DNAt där en metylgrupp kan binda in. Vi fann att majoriteten av de varianterna vi undersökt förändrade graden av DNA-metylering i det specifika området, och att detta också i vissa fall påverkade uttrycket av arvsanlaget.

Identifiering av nya gener och nya mekanismer för hur dessa kan påverka kroppens funktion leder till ökad förståelse för sjukdomens utveckling. I slutändan kan detta användas för förbättrad behandling eller förebyggande av typ 2 diabetes.

• author: Rönn, Tina
• supervisor: Charlotte Ling; Leif Groop
• opponent: Professor Temple, Karen, University of Southampton, United Kingdom
• organization: Translational Muscle Research (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: gene expression, oxidative phosphorylation, GWAS, SNP, DNA methylation, epigenetics, type 2 diabetes
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:58
• pages: 121 pages
• defense location: CRC Aula, Clinical Research Center, entrance 72, UMAS, Malmö
• defense date: 2010-05-27 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86443-73-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3c051039-4be6-4e87-82ad-b43975ff15f6 (old id 1590078)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:01:53
• date last changed: 2023-04-18 20:45:55