Assessment of the Degree Of DNA Methylation in Lymphocytes аfter а Single Blood Irradiation in vitro

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

DNA methylation is one of the processes of epigenetic regulation of the genome, which is sensitive to the influence of endogenous and exogenous factors. The effect of ionizing radiation on the genome is accompanied by a change in the degree of DNA methylation, which can be dose-dependent and persist for a long time after radiation exposure. The objective of the study was to assess the degree of DNA methylation of blood lymphocytes after a single exposure to gamma radiation at a dose of 1.5 Gy using wide-genome bisulfite sequencing. The study included 10 conditionally healthy male employees of the ionizing radiation facility who were not exposed to radiation and did not suffer from chronic diseases. The material was whole blood: 0 Gy (control samples) and 1.5 Gy (experimental samples irradiated with gamma radiation). After irradiation with subsequent cultivation of whole blood, DNA isolation and bisulfite sequencing of limited sets of genomic loci (Reduced representation bisulfite sequencing) was performed using XmaI restriction enzyme (XmaI-RRBS). 41 genes were identified, including 26 genes (HOXD4, PADI2, FOXK1, FTCD, PRDM16, TOM1, PPP1R14A, FLNB, OR1F1, RARA, CRTAC1, AP5B1, ARL5C, NOC2L, MAMDC4, FGFRL1, PPFIA3, CUX2, ANKRD20A19P, FAM83H-AS1, CBFA2T3, POLN, MIR4458HG, FNBP1, SPIRE2, and ZSCAN10) have a tendency to hypomethylation DNA, and another 15 genes (CHRNA4, SEPTIN9, ZNF174, ELK3, NFAM1, ALG10, SOX8, KLHL30, URI1, HBZ, KLF14, MYO16, MYEOV, DMKN, and PAX7) tend to have hypermethylated state detected in at least 50٪ of the experimental samples. Thus, the genes identified in this study can be promising markers of radiation exposure and, in the future, be used to develop a new type of biological dosimetry – epigenomic dosimetry of personnel in contact with ionizing radiation sources in the course of their professional activities.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Olga S. Tsymbal

Seversk Biophysical Research Center of the Federal Medical-Biological Agency

Author for correspondence.
Email: olga-tsymbal@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2311-0451
Russian Federation, Seversk

Daria S. Isubakova

Seversk Biophysical Research Center of the Federal Medical-Biological Agency

Email: isubakova.daria@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5032-9096
Russian Federation, Seversk

Evgenia V. Bronikovskaya

Seversk Biophysical Research Center of the Federal Medical-Biological Agency

Email: Bronikev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6486-5025
Russian Federation, Seversk

Alexandra F. Nikolaeva

Research Centre for Medical Genetics

Email: alex.ru97@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-3805-8879
Russian Federation, Moscow

Vladimir O. Sigin

Research Centre for Medical Genetics

Email: sigin.vladimir@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8020-3577
Russian Federation, Moscow

Alexey I. Kalinkin

Research Centre for Medical Genetics

Email: alexeika2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9215-4581
Russian Federation, Moscow

Vladimir M. Kirillov

Research Centre for Medical Genetics

Email: 96vladkiri96@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8762-1322
Russian Federation, Moscow

Zhanna A. Startseva

Tomsk National Research Medical Center of the Russian Academy of Sciences

Email: zhanna.alex@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-4345-7719
Russian Federation, Tomsk

Nicolay V. Litviakov

Seversk Biophysical Research Center of the Federal Medical-Biological Agency; Tomsk National Research Medical Center of the Russian Academy of Sciences

Email: nvlitv72@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0714-8927
Russian Federation, Seversk; Tomsk

Ivan V. Milto

Seversk Biophysical Research Center of the Federal Medical-Biological Agency; Siberian State Medical University

Email: milto_bio@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9764-4392
Russian Federation, Seversk; Tomsk

Ravil M. Takhauov

Seversk Biophysical Research Center of the Federal Medical-Biological Agency; Siberian State Medical University

Email: niirm2007@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1994-957X
Russian Federation, Seversk; Tomsk

References

  1. Калинкин А.И., Сигин В.О., Немцова М.В. и др. Аномальное деметилирование и эктопическая экспрессия генов лейкотриеновых рецепторов LTB4R/LTB4R2 при раке молочной железы. Мед. генетика. 2021;20(8):21–30. [Kalinkin A.I., Sigin V.O., Nemtsova M.V. et al. Abnormal demethylation and ectopic expression of leukotriene receptors genes LTB4R/LTB4R2 in breast cancer. Medical Genetics. 2021;20(8):21–30. (In Russ.)]. https://doi.org/10.25557/2073-7998.2021.08.21-30
  2. Lee Y., Kim Y.J., Choi Y.J. et al. Radiation-induced changes in DNA methylation and their relationship to chromosome aberrations in nuclear power plant workers. Int. J. Radiat. Biol. 2015;91(2):142–149. https://doi.org/10.3109/09553002.2015.969847
  3. Кузьмина Н.С., Мязин А.Е., Лаптева Н.Ш., Рубанович А.В. Изучение аберрантного метилирования в лейкоцитах крови ликвидаторов аварии на ЧАЭС. Радиац. биология. Радиоэкология. 2014;54(2):127–139. [Kuzmina N.S., Myazin A.E., Lapteva N.S., Rubanovich A.V. Study of aberrant methylation in blood leukocytes of liquidators of the chernobyl accident. Radiat. Biology. Radioecology. 2014;54(2):127–139. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0869803114020064
  4. Kuzmina N.S., Lapteva N.Sh., Rubanovich A.V. Hypermethylation of gene promoters in peripheral blood leukocytes in humans long term after radiation exposure. Environ. Res. 2016;146:10–17. https://doi.org/10.1016/ j.envres.2015.12.008
  5. Кузьмина Н.С., Лаптева Н.Ш., Русинова Г.Г. и др. Дозовая зависимость гиперметилирования промоторов генов в лейкоцитах крови лиц, подвергшихся облучению в результате профессиональной деятельности: Мат. Рос. конф. с междунар. участием “Современные проблемы радиационной генетики”. Дубна, 2019. Дубна: Изд-во Объединенный институт ядерных исследований, 2019. С. 76–78. [Kuzmina N.S., Lapteva N.Sh., Rusinova G.G. et al. Dose dependence of hypermethylation of gene promoters in blood leukocytes in humans occupationally exposed to radiation. Materials of the Russian conference with international participation “Modern problems of radiation genetics”: Conf. proc. Dubna, 2019. Dubna: Izd-vo Joint Institute for Nuclear Research, 2019. Р. 76–78. (In Russ.)].
  6. Цымбал О.С., Исубакова Д.С., Брониковская Е.В. и др. Роль метилирования Bak1 в индукции хромосомных аберраций при хроническом низкоинтенсивном внешнем облучении. Мед. радиология и радиац. безопасность. 2020;65(5):29–34. [Tsymbal O.S., Isubakova D.S., Bronikovskaya E.V., et al. The role of Bak1 methylation in the induction of chromosomal aberrations under chronic low-intensity external radiation. Medical Radiology and Radiation Safety. 2020;65(5):29–34. (In Russ.)]. https://doi.org/10.12737/1024-6177-2020-65-5-29-34
  7. Kennedy E.M., Powell D.R., Li Z. et al. Galactic cosmic radiation induces persistent epigenome alterations relevant to human lung cancer. Sci. Rep. 2018;8(1):6709. https://doi.org/10.1038/s41598-018-24755-8
  8. Tanas A.S., Borisova M.E., Kuznetsova E.B. et al. Rapid and affordable genome-wide bisulfite DNA sequencing by XmaI-reduced representation bisulfite sequencing. Epigenomics. 2017;9(6): 833–847. https://doi.org/10.2217/epi-2017-0031
  9. Suomi T., Seyednasrollah F., Jaakkola M.K. et al. ROTS: An R package for reproducibility-optimized statistical testing. PLoS Comput. Biol. 2017;13(5):e1005562. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005562
  10. Andrews S. FastQC: a quality control tool for high throughput sequence data. 2010. Available at: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc. Accessed October 19, 2022.
  11. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. 2020. Available at: https://www.R-project.org/. Accessed December 20, 2022.
  12. Chen Y., Wu J., Liang G. et al. CHK2-FOXK axis promotes transcriptional control of autophagy programs. Sci. Advances. 2020;6(1):eaax5819. https://doi.org/10.1126/sciadv.aax5819
  13. Cao H., Chu X., Wang Zh. et al. High FOXK1 expression correlates with poor outcomes in hepatocellular carcinoma and regulates stemness of hepatocellular carcinoma cells. Life Sci. 2019;228:128–134. https://doi.org/10.1016/ j.lfs.2019.04.068
  14. Atsem St., Reichenbach J., Potabattula R. et al. Paternal age effects on sperm FOXK1 and KCNA7 methylation and transmission into the next generation. Hum. Mol. Genet. 2016;25(22):4996–5005. https://doi.org/10.1093/hmg/ddw328
  15. Reichenbach J.R. Paternal age effects on sperm DNA methylation and its impact on the next generation. [dissertation for Doctoral] Würzburg; 2020. 106 р. Available at: https://www.researchgate.net/publication/339375571_Paternal_age_effects_on_sperm_DNA_methylation_and_its_impact_on_the_next_generation Accessed February 2, 2023.
  16. Steinauer N., Guo Ch., Zhang J. The transcriptional corepressor CBFA2T3 inhibits all-trans-retinoic acid-induced myeloid gene expression and differentiation in acute myeloid leukemia. J. Biol. Chem. 2020;295(27):8887–8900. https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.013042
  17. Calender A., Farnier P.A.R., Buisson A. et al. Whole exome sequencing in three families segregating a pediatric case of sarcoidosis. BMC Med. Genomics. 2018;11(1):23. https://doi.org/10.1186/s12920-018-0338-x
  18. [Matsuoka M. Mechanism of oncogenesis by human T-cell leukemia virus type 1. Gan To Kagaku Ryoho. 2010;37(1):10–13. (in Japan.)].
  19. [Fang F., Yu X.L., Niu D.S., Li J. Screening of candidate genes related to low-dose ionizing radiation based on transcriptome-proteome correlation research techniques. Chinese Journal of Industrial Hygiene and Occupational Diseases. 2021;39(10):738–743. (in Chinese)]. https://doi.org/0.3760cma.j.cn121094-20200518-00267
  20. Chaudhry M.A., Omaruddin R.A. Differential DNA methylation alterations in radiation-sensitive and -resistant cells. DNA Cell Biol. 2012;31(6):908–916. https://doi.org/10.1089/dna.2011.1509
  21. Bae J.-H., Kim J.-G., Heo K. et al. Identification of radiation-induced aberrant hypomethylation in colon cancer. BMC Genomics. 2015;16(1):56. https://doi.org/10.1186/s12864-015-1229-6
  22. Velpula K.K., Gogineni V.R., Nalla A.K. et al. Radiation-induced hypomethylation triggers urokinase plasminogen activator transcription in meningioma cells. Neoplasia. 2013;15(2):192–203 https://doi.org/10.1593/neo.121334
  23. Кузьмина Н.С., Лаптева Н.Ш., Русинова Г.Г. и др. Гиперметилирование промоторов генов в лейкоцитах крови человека в отдаленный период после перенесенного радиационного воздействия. Радиац. биология. Радиоэкология. 2017;54(4):341–356. [Kuzmina N.S., Lapteva N.Sh., Rusinova G.G., et al. Hypermethylation of gene promoters in blood leukocytes in humans in the remote period after radiation exposure. Radiat. Biology. Radioecology. 2017;54(4):341–356. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0869803117040014
  24. Kuzmina N.S., Lapteva N.Sh., Rusinova G.G. et al. Gene hypermethylation in blood leukocytes in humans long term after radiation exposure – Validation set. Environ. Pollut. 2018;234:935–942. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.12.039
  25. Chen X., Liu L., Mims J. et al. Analysis of DNA methylation and gene expression in radiation-resistant head and neck tumors. Epigenetics. 2015;10(6):545–561. https://doi.org/10.1080/15592294.2015.1048953
  26. Zhao F., Olkhov-Mitsel E., van der Kwast T. et al. Urinary DNA methylation biomarkers for noninvasive prediction of aggressive disease in patients with prostate cancer on active surveillance. J. Urology. 2017;197(2):335–341. https://doi.org/10.1016/j.juro.2016.08.081
  27. Patel P.G., Wessel Th., Kawashima A. et al. A three-gene DNA methylation biomarker accurately classifies early stage prostate cancer. Prostate. 2019;79(14):1705–1714. https://doi.org/10.1002/pros.23895
  28. Mian O.Y., Khattab M.H., Hedayati M. et al. GSTP1 Loss results in accumulation of oxidative DNA base damage and promotes prostate cancer cell survival following exposure to protracted oxidative stress. Prostate. 2016;76(2):199–206. https://doi.org/10.1002/pros.23111

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Annotation barplots for differential methylated cytosines with location relative to gene elements on x-axis and counts on y-axis for cytosines that changed methylation status detected in at least 50٪ of the experimental samples. Note. Upstream — ascending untranslated regions, inside intron — intron region, inside exon — exon region, downstream — descending untranslated regions.

Download (130KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. An example of visualization of abnormal methylation inside intron of the GSTP1 gene after in vitro irradiation of blood lymphocytes obtained using the Integrative Genomic Browser (IGV). Note. The upper panel shows the result of high-throughput parallel bisulfite sequencing of the DNA sample before irradiation; the bottom panel, the result of DNA sequencing of the sample after irradiation with 1.5 Gy. Each track represents a sequence (read) of a single molecule from the sample; red is for methylated cytosines and blue is for nonmethylated cytosines in the CpG context. A fragment of 40 base pairs (chr11:67,351,775-67,351,814) is presented; the reference genome sequence (Human hg19) is at the bottom. The fragment shown is within the GSTP1 5`CpG island (green).

Download (167KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Top 20 enriched Gene Ontology (GO) Biological processes terms with GeneRatio (Num. of genes in process/Num. of total input genes) on X-axis and GO terms on Y-axis in CpGs demethylated (A) and CpGs hypermethylated (B) detected in at least 50٪ of the experimental samples. Note. Count — the number of identified genes that are involved in the biological process.

Download (970KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».