Epigenetisk påvirkning af fosterets udvikling

Fosterudviklingen er i de første dage af den embryonale periode særlig sensitiv over for ændringer i epigenetikken. Begrebet epigenetik dækker over molekylære forandringer, der finder sted omkring DNA’et og etableres og ændres som respons på omgivelserne, hvorved ekspressionen af de omkringliggende gener styres. Epigenetikken er således en af forklaringerne på, at kimlagene kan differentiere ud til forskellige celletyper, trods cellernes ensartede genom og omgivende miljø, og de epigenetiske faktorer menes at spille en betydelig rolle, især i udvikling af kræft og livsstilssygdomme. Det er stadig uvist, om epigenetikken overføres fra sædcellen under befrugtningen og således er arvelig, og om faderens livsstil derigennem kan påvirke fosterets udvikling. In vitro-fertilisering (IVF) kan bruges som model til undersøgelse af epigenetikkens rolle og karakter under den tidlige embryonale udvikling, hvilket kan gøre os klogere på, om fænomenet epigenetisk arvelighed finder sted hos mennesker. Hos nogle børn, der er født efter assisteret reproduktionsteknologi (ART), herunder IVF, ses der lav fødselsvægt, og undersøgelser af epigenetikkens etablering i den embryonale periode kan hjælpe os til at forstå årsagsmekanismerne hertil.
I denne artikel præsenteres en introduktion til den hidtidige forskning i fænomenet epigenetisk arvelighed og en præsentation af epigenetikkens mulige rolle ved påvirkningen af børn, der er født efter ART.

EPIGENETIKKEN PÅVIRKES AF LIVSSTILSFAKTORER

Epigenetik er arvelige, men reversible forandringer i vores celler, der kan regulere og kontrollere, hvordan vores gener udtrykkes – uden at baseparrene i vores DNA ændres. De tre primære klasser af epigenetiske faktorer er: 1) DNA-metylering, 2) små ikkekodende RNA-stykker og 3) histonmodificeringer, som alle har det til fælles, at de ændrer karakter efter vores livsstil og miljøet omkring os (Figur 1). DNA-metylering kan regulere genekspressionen ved enten at blokere for eller tiltrække transkriptionsfaktorerne til DNA’ets basepar. Modificeringer (f.eks. fosforylering, metylering og acetylering) af histonernes haler kan også påvirke transkriptionen direkte, og modificeringerne kan endvidere påvirke foldningen af DNA’et og derigennem ændre dets tredimensionelle struktur samt remodellere og relokalisere kromatinet. Ikkekodende RNA’er er RNA-molekyler, der ikke translateres til proteiner. I stedet kan de påvirke genekspressionen på flere niveauer – såvel transkriptionelt som posttranskriptionelt. Ud over de nævnte findes der adskillige andre molekyler og strukturer, som under betegnelsen »epigenetiske faktorer« regulerer genekspressionen på mangfoldige og oftest særdeles komplekse måder. De tre ovennævnte er dog de bedst beskrevne, selvom der næsten dagligt fremkommer nye aspekter af deres funktioner.

Eftersom alle vores celler i kroppen har samme DNA, er det bl.a. epigenetikkens signaler, der er afgørende for differentieringen af de forskellige stamceller til de enkelte vævs- og cellefunktioner. Ligeså under den embryonale udvikling, hvor de epigenetiske faktorer spiller en særdeles vigtig rolle i dannelsen af embryonets enkelte væv [1]. Indtil for ganske nylig troede man, at eventuelle epigenetiske faktorer, der er etableret i gameterne som respons på vores livsstil og vores omgivende miljø, ville blive fjernet fra cellekernen inden gameternes fulde modning. De sidste par år er der dog fremkommet adskillige studier, der sandsynliggør, at størstedelen af de epigenetiske faktorer – i hvert fald for sædcellernes vedkommende – forbliver intakte gennem de sidste stadier af modningen, fertiliseringen og embryonets udvikling [2-4].

Der er efterhånden konsensus om, at epigenetikken har en primær rolle i forklaringen af samspillet mellem miljø og genetik i ætiologien af flere sygdomme. Særligt vedr. psykiatriske lidelser og kræft er det påvist, at epigenetikken er en stor del af patofysiologien, og i Danmark benyttes metyleringshæmmeren azacitidin til behandlingen af bl.a. myelodysplastisk syndrom og akut myeloid leukæmi. Indtil for nylig troede man, at epigenetik bestod af permanente forandringer i vores celler, men ny forskning viser, at de epigenetiske faktorer er særdeles dynamiske af karakter. En enkelt kortvarig træningssession ændrer således DNA-metyleringen af specifikke gener i muskelcellerne allerede efter minutter, med efterfølgende ændringer i genekspressionen [5]. Dette fund var med til at åbne op for hypotesen om, at vi gennem ændringer i vores livsstil, f.eks. kost og motionsvaner, kan påvirke den epigenetiske signatur, vi sender videre til vores børn gennem vores gameter. I et nyligt publiceret studie fandt man, at overvægtige mænd har en anden epigenetisk profil i sædcellerne end normalvægtige mænd. Ved at undersøge sædceller fra overvægtige mænd, der ventede på en planlagt Roux-en-Y-gastrisk bypassoperation på Hvidovre Hospital, påviste man, at vægttabet efter operationen aktivt påvirkede DNA-metyleringen i sædcellerne [6]. Ændringerne i DNA-metyleringen var især relateret til gener, der indgik i udviklingen af det centrale nervesystem, og lokaliseret omkring genetiske varianter, der var associeret til fedme.

EPIGENETISK ARVELIGHED

Gennem de seneste år er forskningen i såkaldt epigenetisk arvelighed – det fænomen, at epigenetikken overføres fra den ene generation til den næste – i særdeleshed revolutioneret. Indtil for ganske nyligt var hypotesen om arveligheden af erhvervede egenskaber (en teori, der oprindeligt blev fremsat af den franske evolutionsteoretiker Jean-Baptiste Lamarck, 1744-1829) primært baseret på fund fra epidemiologiske studier, hvor bedsteforældrenes ernæringstilstand før graviditeten sås at påvirke børnebørnenes dødelighed og risiko for sygdomme [7, 8]. De seneste par år har dyrestudier dog resulteret i egentlige forklaringsmodeller på, hvordan miljøet omkring den ene generation kan påvirke sygdomsrisikoen hos de følgende. Hos hanrotter, der fedes op med fedtholdig kost i ugerne op til parring (generation F0), vil der ikke kun ske ændring af DNA-metyleringen og ekspressionen af de små ikkekodende RNA’er i sædcellerne. Deres rotteunger (generation F1) vil også have en lavere fødselsvægt og et ændret betacelleareal i pancreas og vil senere hen udvikle en ændret glukose- og lipidmetabolisme [9, 10]. Særligt interessant er det, at de epigenetiske faktorer i rotteungernes (F1) sædceller også påvirkes, og at den metaboliske fænotype forbliver ændret i den følgende generation (F2). Injicerer man ikkekodende RNA, der er isoleret fra overvægtige hanmus’ sædceller ind i en wild type-blastocyst (befrugtet æg fem dage efter fertilisering), vil museungerne ligeså få metaboliske forstyrrelser [11, 12]. Den herskende hypotese på feltet er således, at der som respons på mandens livsstil og omgivende miljø etableres forskellige epigenetiske faktorer i sædcellerne, som overføres ved fertilisering for derigennem at påvirke de(n) følgende generation(er)s fænotype. Fænomenet epigenetisk arvelighed er dog endnu ikke påvist hos mennesker, og de nævnte studier, hvor man undersøgte epigenetiske faktorer i sædceller hos overvægtige og normalvægtige mænd udført i samarbejde mellem Københavns Universitet og flere af hovedstadens sygehuse, er således et af de første studier med mennesker, hvor man har påvist, at vi aktivt kan ændre den signatur, vi overfører til vores børn – og derigennem sandsynligvis påvirke vores børns udvikling og risiko for sygdom. Hvis vores diæt som vordende forældre kan påvirke epigenetikken i vores gameter og derigennem ændre fosterets udvikling, kan det forklare, hvorfor børn af overvægtige mænd har en større risiko for selv at blive overvægtige, uafhængigt af moderens kropsvægt [13].

PÅVIRKNING AF BØRN FØDT VED
ASSISTERET REPRODUKTION

15-20% af alle par oplever problemer med infertilitet, og ca. 5.000 børn – omkring 6% af en årgang – bliver årligt født i Danmark efter brug af ART [14, 15]. Børn, der er født efter ART, har en smule større risiko for at få sygdom senere hen end børn, der er født efter naturlig befrugtning. I de senere år har der været særligt fokus på metaboliskassocierede lidelser såsom kardiovaskulære sygdomme samt ændret lipid- og glukosemetabolisme, som man i en række mindre studer har fundet øget forekomst af hos individer, der er undfanget ved ART [16-19], også når der korrigeres for eventuel underliggende subfertilitet hos forældrene [20]. Derudover ses der en øget risiko for præterm fødsel og en øget forekomst af perinatale komplikationer [21]. De forskellige in vitro-fertiliseringsmetoder er endvidere forbundet med ændret fødselsvægt hos børnene. Således giver oplægning af friske, befrugtede æg i den hormonstimulerede cyklus en gennemsnitlig lavere fødselsvægt hos børnene end hos børn, der er født efter naturlig befrugtning, mens oplægning af nedfrosne/optøede æg giver højere risiko for fødsel af fostre som er large for gestational age (LGA) [22] (Tabel 1). Det kan ikke udelukkes, at en del af den øgede risiko for sygdom kan skyldes forældrenes egne reproduktive sygdomme. I flere lignende studier har man ikke justeret for denne mulige konfounder, hvilket det er vigtigt at være opmærksom på ved gennemgang af litteraturen, og ved fremtidige undersøgelser [23, 24]. Flere epidemiologiske studier og adskillige dyreforsøg tyder dog på, at selve de interventioner, der benyttes ved de forskellige former for ART, også udgør en del af de tilgrundliggende årsager til børnenes ændrede sygdomsrisiko. Der er således forskel på barnets risikoprofil, alt efter om det befrugtede æg (embryonet) opsættes friskt eller efter nedfrysning/optøning, og om der udføres in vitro-fertilisering (IVF), intracytoplasmatisk sædcelleinjektion eller intrauterin insemination [22, 23, 25, 26]. Selve hormonstimuleringen af kvinden mistænkes også for at kunne påvirke barnets risikoprofil [27], men der er endnu ikke fundet egentlige årsagsmekanismer for, hvordan de forskellige metoder, der benyttes ved assisteret reproduktion, kan påvirke fosterets udvikling og derigennem barnets risiko for sygdom senere hen.

EPIGENETISK PÅVIRKNING AF FOSTERUDVIKLINGEN VED ASSISTERET REPRODUKTIONSTEKNOLOGI

Flere ting tyder på, at en ændret epigenetik som resultat af håndteringen og manipuleringen af embryonet ved assisteret reproduktion er nøglen til at forstå den ændrede sygdomsrisiko hos børn, der er født efter ART. Hos mus er det påvist, at hormonstimulation påvirker fosterets epigenetik, og det er observeret, at IVF påvirker de epigenetiske faktorer i placenta hos mus under graviditeten [27, 28]. Ved kultivering af museembryoner kan selve indholdet af dyrkningsmediet ændre ekspressionen af de imprintede gener i blastocyststadiet og påvirke ungernes udvikling og adfærd senere hen [29]. Det er dog stadig uvist, om de epigenetiske faktorer, der induceres som respons til interventionerne under de enkelte ART-metoder, er årsag til de rapporterede ændringer i sygdomsrisiko, der ses hos børn, som er født efter ART. I et samarbejde mellem Metabolismecenteret (NNFCBMR, Københavns Universitet), Gynækologisk/Obstetrisk Afdeling (Hvidovre Hospital), og Fertilitetsklinikken (Rigshospitalet) er man netop ved at undersøge, om epigenetikken kan forklare det ændrede perinatale resultat og den let øgede sygdomsrisiko, der ses senere hen. Er dette tilfældet, er der stor mulighed for, at vi på længere sigt kan udvikle metoder, der påvirker den ændrede epigenetik, og derigennem nedsætte den let øgede risiko for sygdom hos de ca. 5.000 børn, der årligt fødes efter assisteret reproduktion.

Korrespondance: Ida Donkin. E-mail: ida.donkin@sund.ku.dk

Antaget: 29. juni 2016

Publiceret på Ugeskriftet.dk: 12. september 2016

Interessekonflikter: ingen.