Evaluation of the long-term effect of hyperoxia on DNA methylation in mouse brain tissue.

Hyperoxia is a condition characterized by excessively high oxygen concentration in body tissues. In case of treating newborns with respiratory failure, the use of supraphysiologic oxygen levels is sometimes necessity. However, it relates with the risk of nerve cells damage and nervous system development disruption. Reactive oxygen species caused by oxidative stress not only interact directly with DNA, leading to nitrogenous bases modifications and mechanical defects in the strand, but also may affect the activity of methyltransferases – enzymes that control DNA methylation process. DNA methylation is classified as a post-replication epigenetic modification of nucleotides and it silences gene expression, having an essential role in the proper cells’ differentiation and maturation. This study was intended to evaluate changes in the DNA methylation level of brain tissue as a result of long-term hyperoxia conditions, using a mouse model of neonatal oxygen therapy. The hypermethylated genes were analyzed for their role in genomic signaling pathways. The experiment used Agilent Mouse CpG Island methylation microarrays. The DAVID software enabled to generate a list of genes affected by hypermethylation and further analysis for their importance in nervous system development. Based on performed studies it was concluded, that hyperoxia caused targeted hypermethylation of gene promoters within CpG islands, which is important for genomic signaling pathways in nervous system development. Obtained results demonstrated the detrimental effect on developing brain due to long-term state of hyperoxia. Furthermore, irregularities in the DNA methylation mechanism at an early stage of growth may manifest as neuronal processes dysfunctions in later life.

Hiperoksja to stan, który charakteryzuje się zbyt wysokim stężeniem tlenu w tkankach. W przypadku leczenia noworodków z niewydolnością oddechową czasami nieuniknione jest zastosowanie ponadfizjologicznych stężeń tlenu. Wiąże się to jednak z ryzykiem uszkodzeń komórek nerwowych oraz zakłóceniem procesu rozwoju układu nerwowego. Reaktywne formy tlenu powstałe wskutek zaistnienia stresu oksydacyjnego oddziałują bezpośrednio z DNA, doprowadzając do modyfikacji zasad azotowych oraz mechanicznych defektów nici, ale także mogą wpływać na aktywność metylotransferaz – enzymów, które kontrolują proces metylacji DNA. Metylacja DNA zaliczana jest do postreplikacyjnej epigenetycznej modyfikacji nukleotydów i służy wyciszeniu ekspresji genów, odgrywając istotną rolę w prawidłowym różnicowaniu i dojrzewaniu komórek. Prezentowana praca miała na celu ocenę zmian stopnia metylacji DNA tkanki mózgowej pod wpływem długotrwałych warunków hiperoksji na podstawie mysiego modelu tlenoterapii noworodków. Analizie poddano hipermetylowane geny w kontekście ich roli w genomowych szlakach sygnałowych. W eksperymencie użyto mikromacierzy metylacyjnych Agilent Mouse CpG Island microarrays, a baza DAVID (Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery) umożliwiła wygenerowanie listy genów dotkniętych hipermetylacją oraz późniejszą analizę tych genów pod względem znaczenia w rozwoju układu nerwowego. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że hiperoksja spowodowała kierunkową hipermetylację promotorów genów w obrębie wysp CpG, mających istotne znaczenie dla genomowych szlaków sygnałowych procesu rozwoju układu nerwowego. Uzyskane wyniki przemawiają za poprawnością twierdzenia, że długotrwały stan hiperoksji jest szkodliwy dla rozwijającego się układu nerwowego, a nieprawidłowości w mechanizmie metylacji DNA na wczesnym etapie rozwoju mogą objawiać się zaburzeniami funkcjonowania procesów neuronalnych w życiu późniejszym.