Stressful Newborn Memories: Pre-Conceptual, In Utero, and Postnatal Events

Early-life stressful experiences are critical for plasticity and development, shaping adult neuroendocrine response and future health. Stress response is mediated by the autonomous nervous system and the hypothalamic–pituitary–adrenal (HPA) axis while various environmental stimuli are encoded via epigenetic marks. The stress response system maintains homeostasis by regulating adaptation to the environmental changes. Pre-conceptual and in utero stressors form the fetal epigenetic profile together with the individual genetic profile, providing the background for individual stress response, vulnerability, or resilience. Postnatal and adult stressful experiences may act as the definitive switch. This review addresses the issue of how preconceptual in utero and postnatal events, together with individual differences, shape future stress responses. Putative markers of early-life adverse effects such as prematurity and low birth weight are emphasized, and the epigenetic, mitochondrial, and genomic architecture regulation of such events are discussed

Genetic and epigenetic study of human cells' response to environmental factors

In this study we investigated the effect of environmental stimuli to the normal development of an organism by regulating the genetic and epigenetic profile of molecules involved in the system of stress response. Our study was conducted on different experimental models in an effort to investigate the stress effects, both in vivo and in vitro.The main part of the study has focused on alterations of the expression and methylation pattern of molecules associated with the function of HPA axis in an experimental model of maternal deprivation. We concluded that Maternal Separation and Early Weaning (MSEW) lead to long-term changes, stimulating the HPA axis, with the glucocorticoid receptor changing considerably, both at the protein and transcription level, in an opposite way between hippocampus as oppose to amygdala. The epigenetic modification of UBE3A, in the DNA methylation level, confirms the transcriptional regulation of GR, while individual differences reveal the importance of the individual characteristics in the body's response to a stressful stimulus. Correspondingly, we investigated in vitro the role of glucocorticoids in the development of nerve cells, by studying the response of neuroblastoma cell lines to dexamethasone treatment. Our preliminary findings showed that the cells responded to different concentrations of the drug by cell cycle arrest, thereby launching further study of the glucocorticoid system at the cellular level. Additionally, our interest was focused on the investigation of the interaction of the endocannabinoid and corticosteroid systems, both associated with stress. The results reveal that the intravenous administration of exponentially elevating doses of Δ9-THC activates the HPA axis, by increasing the expression of GR, MR and UBE3A. To summarize, we suggest that the synthetic cannabinoid drug (Δ9-THC) can reduce the stress symptoms, since we observe opposite effects than those of maternal separation. Furthermore, we examined the role of mitochondria in the brain response to stress. The protein levels of the electron transport chain complexes and SLC25A22, NMDAR, Cyt C molecules, suggest that the anxiety phenotype is not associated with the mitochondial proteome. However, low anxiety levels seem to be associated with high calcium flow in the brain striatum cells. Finally, a large part of this thesis has focused on the investigation of the possible mechanism which activates osteogenesis during the application of mechanical stress on hAT-MSCs. This experiment was conducted in an effort to simulate the environment that promotes the development of ectopic ossification. We observed that the constant application of mechanical stress in the cell system promoted early osteogenesis and demethylation of the GNAS promoter regions. The complete understanding of the molecular mechanism may lead to the development of methods for the prevention or treatment of heterotopic ossification.The common aim of the individual parts of this study was to understand the mechanisms that regulate the response of an organism to environmental stimuli, with a view to contributing to the development of new treatments for disorders caused by stress.Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η επίδραση περιβαλλοντικών ερεθισμάτων στη φυσιολογική ανάπτυξη ενός οργανισμού με τη ρύθμιση του γενετικού και επιγενετικού προφίλ μορίων που συμμετέχουν στην απόκριση στο στρες. Η μελέτη μας συμπεριέλαβε διαφορετικά πειραματικά μοντέλα στην προσπάθεια να διερευνηθεί η στρεσογόνος δράση σε συστήματα in vivo και in vitro. Το κύριο μέρος της εργασίας επικεντρώθηκε στις μεταβολές του προτύπου έκφρασης και μεθυλίωσης μορίων που συσχετίζονται με τη λειτουργία του άξονα ΗΡΑ σε ένα πειραματικό μοντέλο μητρικής αποστέρησης. Το γενικό συμπέρασμα ήταν ότι το στρες μητρικής αποστέρησης και ο πρόωρος απογαλακτισμός οδηγούν σε μακροπρόθεσμες μεταβολές που δείχνουν ευαισθητοποίηση του άξονα ΗΡΑ, με τον υποδοχέα γλυκοκορτικοειδών να μεταβάλλεται σημαντικά, τόσο σε επίπεδο mRNA όσο και πρωτεΐνης, με αντίθετη τάση στον ιππόκαμπο απ’ ότι στην αμυγδαλή. Οι αλλαγές του προτύπου μεθυλίωσης του UBE3A, μιας πολύ σταθερής επιγενετικής τροποποίησης, επηρεάζει την έκφραση αυτού του γονιδίου, και κατά συνέπεια τη μεταγραφική ενεργότητα του GR, ενώ οι ατομικές διαφορές που παρατηρούνται αποκαλύπτουν τη σημασία του ατομικού παράγοντα στην απόκριση του οργανισμού στο στρεσογόνο ερέθισμα. Αντίστοιχα, διερευνήθηκε in vitro ο ρόλος των γλυκοκορτικοειδών στις ιδιότητες των νευρικών κυττάρων, μελετώντας την απόκριση κυττάρων νευροβλαστώματος στη χορήγηση δεξαμεθαζόνης. Τα ευρήματα έδειξαν οτι τα κύτταρα ανταποκρίθηκαν σε διαφορετικές συγκεντρώσεις της ουσίας με αναστολή του κυτταρικού κύκλου, δίνοντας το έναυσμα για περαιτέρω μελέτη του συστήματος των γλυκοκορτικοειδών σε κυτταρικό επίπεδο. Επιπλέον, ενδιαφέρον παρουσίασε η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης δύο συστημάτων που σχετίζονται με το στρες, των ενδοκανναβινοειδών και των κορτικοειδών. Τα αποτελέσματα μαρτυρούν οτι η ενδοφλέβια χορήγηση εκθετικά αυξανόμενων δόσεων Δ9-THC ενεργοποιεί τον άξονα ΗΡΑ με αύξηση της έκφρασης των μορίων GR, MR και UBE3A. Συνολικά υποθέτουμε ότι το συνθετικό κανναβινοειδές μπορεί να περιορίζει τα συμπτώματα του στρες, δεδομένου ότι παρατηρούμε αντίθετα αποτελέσματα από εκείνα του μητρικού αποχωρισμού. Εξετάστηκε επίσης ο ρόλος των μιτοχονδρίων στης απόκριση του εγκεφάλου στο άγχος. Τα πρωτεϊνικά επίπεδα των συμπλόκων της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων και των μορίων SLC25A22, NMDAR, Cyt C, οδηγούν στο συμπέρασμα οτι ο νευρικός φαινότυπος δεν συνδέεται με το μιτοχονδριακό πρωτέωμα. Ωστόσο χαμηλά επίπεδα άγχους φαίνεται να συνδέονται με υψηλή ροή ασβεστίου στα κύτταρα του ραβδωτού σώματος του εγκεφάλου. Τέλος, ένα σημαντικό μέρος της διατριβής εστιάστηκε στη διερεύνηση του πιθανού μηχανισμού ενεργοποίησης της οστεογένεσης κατά την επίδραση μηχανικού στρες σε διαφοροποιούμενα κύτταρα hAT-MSCs. Το πείραμα αυτό αποτέλεσε μια προσπάθεια απόδοσης σε κυτταρικό επίπεδο, του περιβάλλοντος που προκαλεί έκτοπη οστεοποίηση. Παρατηρήσαμε ότι η σταθερή επίδραση μηχανικού στρες στο κυτταρικό μας σύστημα οδήγησε σε πρώιμη οστεογένεση με ταυτόχρονη απομεθυλίωση του υποκινητή του γονιδίου GNAS. Η πλήρης κατανόηση του μοριακού μηχανισμού μπορεί να συντελέσει στην εξέλιξη μεθόδων πρόληψης ή αντιμετώπισης της έκτοπης οστεοποίησης. Κοινός στόχος των επιμέρους ενοτήτων της διατριβής ήταν η κατανόηση των μηχανισμών που ρυθμίζουν την ανταπόκριση του οργανισμού στα περιβαλλοντικά ερεθίσματα, με απώτερο σκοπό τη συμβολή στην εξέλιξη νέων θεραπευτικών μεθόδων για διαταραχές που έχουν ως αιτία διάφορες μορφές στρες

Mechanical stress affects methylation pattern of GNAS isoforms and osteogenic differentiation of hAT-MSCs

Mechanical stress exerts a substantial role on skeletal-cell renewal systems, whereas accumulating evidence suggests that epigenetic mechanisms induce changes and differential gene expression. Although the underlying mechanisms remain to be fully elucidated, our study suggests that the influence of the long term mechanical stimulation elicits epigenetic modifications controlling osteogenic differentiation of human adipose tissue multipotential stromal cells (hAT-MSCs) and contributes to an accelerating in vitro osteogenesis. GNAS imprinting gene acts as a critical regulator of osteoblast differentiation and is implicated in human genetic disorders with pathological formation of ectopic-skeletal bone. Investigating a wide variety of stimuli, we showed that daily mechanical stretch on hAT-MSCs of 7th and 15th days' intervals induced a significant down-regulation in DNA methylation status of critical CpG sites of NESP and GNASXL isoforms, accompanied by up-regulation of the corresponding gene transcripts, and osteogenic differentiation earlier in culture. Importantly, methylation analysis of differentiating bone marrow-derived MSCs revealed similar methylation patterns. Bioinformatic analysis further showed that all CpG islands exhibiting significant methylation alterations encompassed transcriptional repressor CTCF binding sites. We hereby emphasize the need to investigate the epigenetic alterations on hAT-MSCs during environmental mechanical forces and to consider how the knowledge gained through these studies may foster new means of symptoms prevention and management of ectopic bone formation in the clinic. [Display omitted] •Long-term mechanical cell stretching of hAT-MSCs leads to early osteogenesis induction.•Demethylation ratio of GNAS' CpGs is dependent on the duration of mechanical stress.•Osteo-specific GNAS isoforms' methylation profile is directly associated to CTCF binding factors.•Targeting to promising therapeutic approaches for the pathological ectopic bone formatio

Developmental Dyslexia: Insights from EEG-Based Findings and Molecular Signatures—A Pilot Study

Developmental dyslexia (DD) is a learning disorder. Although risk genes have been identified, environmental factors, and particularly stress arising from constant difficulties, have been associated with the occurrence of DD by affecting brain plasticity and function, especially during critical neurodevelopmental stages. In this work, electroencephalogram (EEG) findings were coupled with the genetic and epigenetic molecular signatures of individuals with DD and matched controls. Specifically, we investigated the genetic and epigenetic correlates of key stress-associated genes (NR3C1, NR3C2, FKBP5, GILZ, SLC6A4) with psychological characteristics (depression, anxiety, and stress) often included in DD diagnostic criteria, as well as with brain EEG findings. We paired the observed brain rhythms with the expression levels of stress-related genes, investigated the epigenetic profile of the stress regulator glucocorticoid receptor (GR) and correlated such indices with demographic findings. This study presents a new interdisciplinary approach and findings that support the idea that stress, attributed to the demands of the school environment, may act as a contributing factor in the occurrence of the DD phenotype