SYNGAP1 DNA methylation in alcohol dependence and its potential function as a biomarker for diagnostic, disease severity and therapy outcome

Abstract

Alcohol dependence (AD) contributes significantly to the global burden of disease. Genetic and environmental factors play a role in its development. High relapse rates show that a deeper understanding of the pathomechanism and new therapeutic approaches are urgently needed. In 2017, Brückmann et al. identified in an epigenome-wide study in CD3+ T-cells differentially DNA methylated CpG sites in 59 genes from AD patients compared to controls (Brückmann et al., 2017). These included SYNGAP1: The DNA methylation level of SYNGAP1 (DNAmS) of AD patients was initially significantly lower than that of control individuals and, after a three-week inpatient withdrawal treatment, approached that of the control group. In the present study, the differential DNAmS was to be validated in an independent subject collective and in more easily accessible material (saliva and peripheral venous whole blood) in order to determine its function as a biomarker for diagnostic, disease severity and therapy success in AD. The study cohort consisted of 64 patients undergoing a three-week inpatient withdrawal treatment in the Department of Psychiatry at the University hospital in Tübingen and 84 control subjects, at four time points (0, 3 weeks, 6 months, and 12 months). The DNA was isolated from both saliva and blood, a bisulfite conversion was performed and the DNAmS was analyzed by pyrosequencing. Data on alcohol-related variables was collected with questionnaires – AUDIT questionnaire for alcohol consumption, OCDS for alcohol craving and GSI in SCL90-R for psychological distress. The questionnaires reflected reliably the difference in alcohol-related variables between patients and control individuals. Correlations with DNAmS and alcohol-related variables were mostly weak and not consistent over all variables. However, they opened interesting insights into the biological function of SYNGAP1 in times of craving and distress. The pattern of DNAmS observed in CD3+ T-cells could not be validated in saliva. In blood, DNAmS was significantly higher in patients than in controls at study start – in contrast to Brückmann et al.´s work, where it was lower. After withdrawal therapy it had approached the controls level. A potential confounding factor was found in the age variable since it correlated with DNAmS in blood at therapy start. After controlling for this by forming age subgroups, the difference between patients and controls before therapy could not be replicated. Significant differences in the DNAmS comparing the subgroups of relapsed vs. abstinent patients six or twelve months after therapy start were not detected in blood nor in saliva. We found coherent links between SYNGAP1s biological function and both age and DNAmS and discussed possible roles for Ads pathomechanism. Concerning an association of DNAmS with relapse or abstinence, a high dropout rate of patients at later study time points reduced the statistical power and no conclusions could be drawn. In summary, in this study, DNAmS in saliva did not show patterns of a suitable biomarker for diagnostic, disease severity or therapy progress of AD. In blood, a promising difference between the groups at study start was discovered, although relativized by a potential confounding effect of age. Insights in the biological function of SYNGAP1 and a potential pathomechanism for AD were found. A larger and more closely age-matched study collective would be needed to validate the differential DNAmS in blood of AD patients at study start and differentiate it from age effects. Given the link between the DNAm of SYNGAP1 and its cellular function, further investigation would be a promising step towards a novel biomarker for AD and ultimately a potential therapeutic target.

Die Alkoholabhängigkeit (AD) trägt erheblich zur weltweiten Krankheitslast bei. Genetische sowie umweltbedingte Faktoren spielen in ihrer Entstehung eine Rolle. Hohe Rückfallquoten zeigen, dass ein tieferes Verständnis des Pathomechanismus und neue therapeutische Ansätze dringend erforderlich sind. Im Jahr 2017 identifizierten Brückmann et al. in einer epigenomweiten Studie an CD3+-T-Zellen differenziell DNA-methylierte CpG-Stellen in 59 Genen von AD-Patienten im Vergleich zu Kontrollen (Brückmann et al., 2017). Dazu gehörte SYNGAP1: Das DNA-Methylierungslevel von SYNGAP1 (DNAmS) war bei AD-Patienten zunächst signifikant niedriger als bei Kontrollpersonen und näherte sich nach einer dreiwöchigen stationären Entzugsbehandlung dem der Kontrollgruppe an. In der vorliegenden Studie sollte das differentielle DNAmS in einem unabhängigen Probandenkollektiv und in leichter zugänglichem Material (Speichel und peripheres venöses Vollblut) validiert werden, um dessen Funktion als Biomarker für Diagnose, Krankheitsschwere und Therapieerfolg bei AD zu bewerten. Die Studienkohorte bestand aus 64 Patienten, die sich einer dreiwöchigen stationären Entzugsbehandlung in der Psychiatrischen Universitätsklinik Tübingen unterzogen, und 84 Kontrollpersonen, und zwar zu vier Zeitpunkten (0, drei Wochen, sechs Monate und zwölf Monate). Die DNA wurde aus Speichel und Blut isoliert, eine Bisulfit-Konvertierung wurde durchgeführt und die DNAmS wurde durch Pyrosequenzierung analysiert. Daten zu alkoholbezogenen Variablen wurden mit Fragebögen erhoben – AUDIT-Fragebogen für den Alkoholkonsum, OCDS für Alkoholcraving und GSI in SCL90-R für psychische Belastung. Die Fragebögen spiegelten zuverlässig den Unterschied zwischen Patienten und Kontrollpersonen in Bezug auf alkoholbezogene Variablen wider. Die Korrelationen mit DNAmS und alkoholbezogenen Variablen waren meist schwach und nicht über alle Variablen hinweg konsistent. Sie eröffneten jedoch interessante Einblicke in die biologische Funktion von SYNGAP1 bei Craving und psychischen Stress. Das in CD3+-T-Zellen beobachtete DNAmS-Muster konnte im Speichel nicht validiert werden. Im Blut war die DNAmS bei den Patienten zu Beginn der Studie deutlich höher als bei den Kontrollen – im Gegensatz zu der Arbeit von Brückmann et al. Nach der Therapie hatte es sich dem Level der Kontrollen angenähert. Ein potenzieller Störfaktor wurde in der Altersvariable gefunden, da sie zu Studienbeginn mit der DNAmS im Blut korrelierte. Nachdem dies durch die Bildung von Altersuntergruppen kontrolliert worden war, konnte der Unterschied zwischen Patienten und Kontrollen vor der Therapie nicht reproduziert werden. Signifikante Unterschiede in der DNAmS zwischen den Untergruppen der rückfälligen und abstinenten Patienten sechs oder zwölf Monate nach Therapiebeginn wurden weder im Blut noch im Speichel festgestellt. Wir fanden kohärente Zusammenhänge zwischen der biologischen Funktion von SYNGAP1 und sowohl dem Alter als auch der DNAmS und erörterten mögliche Rollen für den Pathomechanismus der AD. Bezüglich einer Assoziation von DNAmS mit Rückfällen oder Abstinenz wurde die statistische Aussagekraft durch eine hohe Dropout-Rate von Patienten zu späteren Studienzeitpunkten eingeschränkt, so dass keine Schlussfolgerungen gezogen werden konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der DNAmS in Speichel in dieser Studie kein Muster eines geeigneten Biomarkers für die Diagnose, den Schweregrad der Erkrankung oder den Therapieverlauf von AD zeigte. Im Blut wurde ein vielversprechender Unterschied zwischen den Gruppen zu Beginn der Studie entdeckt, der allerdings durch einen potenziell störenden Effekt des Alters relativiert wurde. Es wurden Einblicke in die biologische Funktion von SYNGAP1 und in einen möglichen Pathomechanismus für AD gefunden. Eine größere und genauer alters-gematchte Studienkohorte ist erforderlich, um die differentielle DNAmS im Blut von AD-Patienten zu Studienbeginn zu validieren und von Alterseffekten zu unterscheiden. Angesichts des Zusammenhangs zwischen der DNAm von SYNGAP1 und seiner zellulären Funktion ist eine weitere Untersuchung ein vielversprechender Schritt auf dem Weg zu einem neuartigen Biomarker für AD und zu einem potenziellen therapeutischen Ziel.