Weak preservation of local neutral substitution rates across mammalian genomes

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The rate at which neutral (non-functional) bases undergo substitution is highly dependent on their location within a genome. However, it is not clear how fast these location-dependent rates change, or to what extent the substitution rate <it>patterns </it>are conserved between lineages. To address this question, which is critical not only for understanding the substitution process but also for evaluating phylogenetic footprinting algorithms, we examine ancestral repeats: a predominantly neutral dataset with a significantly higher genomic density than other datasets commonly used to study substitution rate variation. Using this repeat data, we measure the extent to which orthologous ancestral repeat sequences exhibit similar substitution patterns in separate mammalian lineages, allowing us to ascertain how well local substitution rates have been preserved across species.</p> <p>Results</p> <p>We calculated substitution rates for each ancestral repeat in each of three independent mammalian lineages (primate – from human/macaque alignments, rodent – from mouse/rat alignments, and laurasiatheria – from dog/cow alignments). We then measured the correlation of local substitution rates among these lineages. Overall we found the correlations between lineages to be statistically significant, but too weak to have much predictive power (<it>r</it>²<<it>5%</it>). These correlations were found to be primarily driven by regional effects at the scale of several hundred kb or larger. A few repeat classes (e.g. 7SK, Charlie8, and MER121) also exhibited stronger conservation of rate patterns, likely due to the effect of repeat-specific purifying selection. These classes should be excluded when estimating local neutral substitution rates.</p> <p>Conclusion</p> <p>Although local neutral substitution rates have some correlations among mammalian species, these correlations have little predictive power on the scale of individual repeats. This indicates that local substitution rates have changed significantly among the lineages we have studied, and are likely to have changed even more for more diverged lineages. The correlations that do persist are too weak to be responsible for many of the highly conserved elements found by phylogenetic footprinting algorithms, leading us to conclude that such elements must be conserved due to selective forces.</p

Análisis de metilación en una isla CpG del gen APOE y en una región genómica del gen BIN1 en una muestra de pacientes colombianos con Enfermedad de Alzheimer Esporádico

La Enfermedad de Alzheimer (EA) es la más común de las denominadas demencias. En estudios previos se han establecido asociaciones significativas entre los alelos del gen APOE, el gen BIN1 y el inicio de la enfermedad.OBJETIVO: Caracterizarlos patrones de metilación de la isla CpG del exón IV de APOE y una región genómica del gen BIN1. MÉTODOS:Se extrajo ADN a partir de sangre periféricade pacientes con EAE y controles sanes y posteriormente se trató el ADN con bisulfito de sodio, se identificaron los niveles de metilación mediante la metodología BSP y los datos obtenidos fueron analizados mediante un modelo de regresión beta y regresión logística.RESULTADOS:Se encontraron diferencias significativas en la metilación de tres CpG para el gen BIN1,CpG26, CpG44, CpG87y para el gen APOE en las CpG118, CpG130, CpG148 y CpG252. Se estableció la asociación de la metilación en estas CpG con el alelo de riesgo APOE ε4.Independientemente del diagnósticos e encontró una menor metilación en portadores del alelo ε4para las CpG26,CpG44 y CpG87 de BIN1 y para las CpG118, CpG133 y CpG252 de APOE. Se calculó el riesgo que implica para esta población la metilación de BIN1 yAPOE, se encontró un aumento de hasta 3 veces de desarrollo de EAE por pérdida de metilación en estas CpG.CONCLUSIONES: Se identificó que las regiones evaluada de la región genómica de BIN1 y de la isla CpG del Exon IV de APOE se encuentran hipermetiladas tanto en pacientes como en controles.La metilación diferencial identificada muestra la gran complejidad de interacciones entre los diversos factores de riesgo como los alelos de APOE, SNPs y la tendencia en pacientes con EAE a la pérdida de metilación.Abstract: Alzheimer's disease(AD) is the most common of the dementias. In previous studies, significant associations have been established between alleles of the APOE gene, the BIN1 gene and the onset of the disease. OBJECTIVE:To characterize the methylation patterns of the CpG island of exon IV of APOE and a genomic region of the BIN1 gene. METHODS:DNA was extracted from peripheral blood and then the DNA was treated with sodium bisulfite, methylation levels were identified using the BSP methodology and the data obtained were analyzed using a beta regression modeland logistic regression. RESULTS:Significant differences were found in methylation of three CpG for the gene BIN1, CpG26, CpG44, CpG87, CpG114 and for the APOE gene in CpG118, CpG130, CpG148 and CpG252. The association of methylation in these CpGs with the APOE ε4 risk allele was established. Regardless of the diagnosis, a lower methylation was found in carriers of the ε4 allele for the CpG26 CpG44 and CpG87 of BIN1 and for the CpG118 Cpg133 and CpG252 of APOE. The risk involved in this population for themethylation of BIN1 and APOE, up to 3-fold increase in the development of LOADdue to methylation loss in these CpGs. CONCLUSIONS:It was identified that the regions evaluated in the genomic region of BIN1 and the CpG island of the Exon IV of APOE are hypermethylated in both patients and controls. The identified differential methylation shows the great complexity of interactions between the various risk factors such as APOE alleles, SNPs and the trend in patients with EAE to the loss of methylation.Maestrí

Análisis de metilación de las islas CpG de los genes APOE y TOMM40 en una muestra de pacientes colombianos con Enfermedad de Alzheimer

Resumen: INTRODUCCIÓN: La Enfermedad de Alzheimer (EA) es la forma más común de demencia. Un estudio previo en población colombiana reportó la asociación significativa entre el alelo ε4 de APOE, el alelo G del rs2075650 de TOMM40 y el anticipo de la edad de inicio de la enfermedad. Aunque el alelo ε4 de APOE es el principal factor de riesgo genético para EA, la presencia de este alelo por sí sola no es suficiente para causar la enfermedad. Múltiples investigaciones han reportado cambios en la metilación del ADN en EA, tanto a nivel global como a nivel de locus específicos. OBJETIVO: Caracterizar los patrones de metilación de las islas CpG de los genes APOE y TOMM40 en sangre periférica de pacientes colombianos con EA. MATERIALES Y MÉTODOS: Se extrajo ADN de sangre periférica de 54 pacientes colombianos con EAE y 54 controles sanos, el cual fue tratado con bisulfito de sodio. Se identificaron los niveles de metilación de la isla CpG de APOE y la playa de la isla CpG de TOMM40 usando las metodologías MS-HRM y BSP. Los datos obtenidos fueron analizados mediante un modelo de regresión beta. RESULTADOS: Se encontraron discrepancias entre los resultados obtenidos mediante ambas técnicas, mientras que la metodología MS-HRM mostró una tendencia hacia la hipermetilación en el grupo de pacientes con EAE con respecto a los controles, la metodología BSP mostró una tendencia hacia la hipometilación. Se evidenció mediante la metodología BSP hipometilación en pacientes con EAE en dos CpGs, la CpG 148 de APOE y la CpG 141 de TOMM40. Independientemente del diagnóstico, los portadores del alelo ε4 de APOE tienen menor porcentaje de metilación en la CpG 162 y CpG 182 de APOE, mientras que los portadores del genotipo GG del SNP rs2075650 de TOMM40 tienen diferencias en el porcentaje de metilación, disminuyendo en la CpG 148 de APOE y aumentando en la CpG 130 y CpG 155 de TOMM40. Adicionalmente, a medida que aumenta la edad de inicio disminuye la metilación en la CpG 148, CpG 162 y CpG 213 de APOE y CpG 155 de TOMM40. CONCLUSIONES: La metodología BSP ofrece información más precisa sobre el estado de metilación de las regiones analizadas. Se identificó que las regiones evaluadas de la isla CpG de APOE y la playa CpG de TOMM40, tanto en pacientes como en controles se encuentran hipermetiladas. Las diferencias significativas encontradas entre la metilación del ADN en las regiones analizadas de la isla de APOE y la playa de la isla de TOMM40, no solo entre los pacientes y los controles, sino también en portadores y no portadores de ciertos alelos, indican la gran complejidad de esta región a nivel epigenético.Abstract. INTRODUCTION: Alzheimer’s disease (AD) is the most common dementia. A Previous study in a Colombian population reported a significant association between APOE ε4 allele, TOMM40 G allele (rs2075650) and the earlier onset of the disease. Although APOE ε4 allele is the main genetic risk factor for AD, the presence of this allele by itself is not enough to cause the disease. Several research studies have reported changes in the DNA methylation in AD globally and loci specific. AIM: To characterize methylation patterns of the CpG islands of APOE and TOMM40 genes in peripheral blood of Colombian AD patients. METHODS: DNA was isolated from peripheral blood in 54 Colombian AD patients and 54 healthy controls and then treated with sodium bisulphite. Methylation levels of APOE CpG Island and TOMM40 CpG shore were identified by MS-HRM and BSP methodologies. Data analysis was performed using a beta regression model. RESULTS: Differences between results were identified. MS-HRM methodology showed hypermethylation in AD patients; BSP methodology showed hypomethylation in AD patients. BSP methodology allowed to identify hypomethylation in AD patients at APOE CpG148 and TOMM40 CpG141. In the spite of diagnosis, APOE ε4 allele carriers have a lower methylation percentage at APOE CpG162 and CpG182, whereas TOMM40 GG genotype (rs2075650) carriers have a lower methylation percentage at APOE CpG148 and higher methylation percentage at TOMM40 CpG130 and CpG155. In addition, as onset age increases, methylation at APOE CpG 148, CpG 162, CpG 213 and TOMM40 CpG 155 decreases. CONCLUSIONS: BSP methodology provides more specific information about methylation levels in the evaluated regions. APOE CpG Island and TOMM40 CpG shore are hypermethylated in AD patients and healthy controls. The differences found in DNA methylation in APOE CpG Island and TOMM40 CpG shore indicate the epigenetic complexity of this region, not only among patients and controls, but also in carriers and no carries of certain alleles.Maestrí