Effects of Prenatal Alcohol Exposure on Genome-Wide DNA Methylation in 6-Year-Old Children's Buccal Epithelial Cells
Tolvanen, Elsa (2026)
2026
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan maisteriohjelma - Master's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2026-09-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202609019448
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202609019448
Tiivistelmä
Prenatal alcohol exposure (PAE) is one of the leading causes of developmental disabilities and the primary cause of fetal alcohol spectrum disorders, a range of alcohol-related developmental conditions. PAE can cause lifelong impairments with substantial consequences for affected individuals and for society. Alcohol is a well-established teratogen affecting all organs, but the developing central nervous system is known to be particularly susceptible.
Although adverse outcomes of PAE are well documented, the molecular mechanisms linking exposure to long-term neurodevelopmental impairment remain unclear. Epigenetic regulation has emerged as a candidate mechanism through which early-life exposures may exert persistent effects on gene regulation without altering the DNA sequence. A growing body of evidence suggests that DNA methylation, one of the epigenetic mechanisms, contributes to developmental deficits related to PAE and may provide insight into the molecular pathways driving alcohol-associated neurodevelopmental impairment.
In this study, genome-wide DNA methylation patterns in buccal epithelial cells from 6-year-old children were analyzed to determine whether PAE-associated epigenetic differences are detectable in childhood. A cross-sectional study design was used to compare alcohol-exposed children to unexposed controls. Buccal epithelial samples from 28 alcohol-exposed, 4 smoking-exposed, and 52 control children were collected at six years of age. Genome-wide DNA methylation was assessed with the Infinium Methylation EPICv2 BeadChip microarray, followed by differentially methylated position and differentially methylated region analyses. Genes annotated to differentially methylated positions and regions were examined more closely, and pathway analyses were conducted to identify pathways enriched among them. In addition, the influence of prenatal smoking exposure was evaluated as a potential confounder by performing parallel analyses with and without smoking-exposed individuals included in the control group.
In the model adjusted for smoking exposure, a total of 2019 differentially methylated positions and 267 differentially methylated regions were identified, indicating that PAE-associated DNA methylation differences are detectable in 6-year-old children. Many genes prioritized for further investigation were related to the central nervous system, and several have been previously linked to alcohol exposure or aberrant alcohol use. Consistent with this, pathway-level analyses showed enrichment of biological processes related to central nervous system development, synaptic plasticity, and neural signaling. In addition, enrichment of broader developmental processes, as well as one-carbon metabolism, was observed, supporting the systemic nature of PAE and the known influence of alcohol on methyl donor availability. These findings indicate that children with PAE exhibit distinct DNA methylation patterns in buccal epithelial cells at six years of age, and that these differences may provide biologically meaningful signals of prenatal alcohol exposure. Raskaudenaikainen alkoholialtistus on merkittävä sikiön kehitystä häiritsevä tekijä. Se voi johtaa oirekuvaltaan ja vaikeusasteeltaan monimuotoisiin kehityshäiriöihin, joista käytetään yleistermiä FASD (fetal alcohol spectrum disorders). Etanoli on tunnettu teratogeeninen aine, ja vaikka sen tiedetään voivan aiheuttaa vauriota kaikille kehittyville elimille, se on erityisen haitallista keskushermoston ja aivojen kehitykselle.
Vaikka alkoholialtistuksen haitalliset vaikutukset tunnetaan hyvin, niiden taustalla olevia molekyylitason mekanismeja ei vielä täysin ymmärretä. DNA-metylaatio on epigeneettinen mekanismi, jonka kautta ympäristötekijöiden on esitetty vaikuttavan geenien säätelyyn ilman muutoksia DNA:n emäsjärjestykseen, ja sen on ehdotettu osallistuvan myös alkoholialtistuksen pitkäaikaisiin vaikutuksiin. Raskaudenaikaiseen alkoholinkäyttöön liittyy usein myös raskaudenaikainen tupakointi, jonka tiedetään vaikuttavan DNA-metylaatioon.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voiko raskaudenaikaiseen alkoholialtistukseen liittyviä DNA-metylaatiomuutoksia havaita kuuden vuoden iässä. Tutkimuksessa analysoitiin kuusivuotiaiden lasten posken epiteelisolujen DNA-metylaatiota genominlaajuisesti, vertaamalla alkoholille altistuneiden ja verrokkilasten näytteitä toisiinsa. Aineisto koostui 28 alkoholille altistuneesta, 4 tupakalle altistuneesta ja 52 verrokkilapsesta. DNA-metylaatiota tutkittiin Infinium Methylation EPICv2 -mikrosirun avulla. Alkoholialtistukseen liittyviä eroja tutkittiin yksittäisten CpG-kohtien tasolla DMP-analyysillä (differentially methylated position analysis) ja laajempien genomialueiden tasolla DMR-analyysillä (differentially methylated region analysis). Lisäksi analysoitiin metylaatiomuutoksiin liittyviä geenejä ja biologisia signalointireittejä. Tupakka-altistuksen mahdollista vaikutusta arvioitiin käyttämällä kahta rinnakkaista mallia, joissa tupakalle altistuneet lapset joko sisällytettiin verrokkiryhmään tai jätettiin siitä pois.
Tutkimuksessa havaittiin metylaatioeroja yksittäisten CpG-kohtien sekä laajempien alueiden osalta. Analyyseissä tunnistettiin yhteensä 2019 CpG-kohtaa ja 267 genomialuetta, joiden DNA-metylaatio erosi alkoholialtistuneiden ja verrokkilasten välillä, mikä viittaa siihen, että raskaudenaikaiseen alkoholialtistukseen liittyviä muutoksia DNA-metylaatiossa voidaan havaita kuuden vuoden iässä. Useat muutoksiin liittyvät geenit, joita tarkasteltiin tarkemmin, liittyivät keskushermoston toimintaan tai kehitykseen, ja osa niistä on aiemmin yhdistetty alkoholialtistukseen tai haitalliseen alkoholinkäyttöön. Rikastumisanalyysit osoittivat lisäksi yhteyksiä muihin kehityksellisiin prosesseihin sekä metioniinisykliin ja siihen liittyviin aineenvaihduntareitteihin. Nämä tulokset tukevat käsitystä siitä, että alkoholialtistus vaikuttaa sikiön elimistöön systeemitasolla ja että alkoholilla on vaikutuksia metyyliryhmiä luovuttavien aineiden saatavuuteen solutasolla. Tulokset viittaavat siihen, että raskaudenaikaiseen alkoholialtistukseen liittyvät DNA-metylaatiomuutoksia voi havaita kuuden vuoden iässä. Muutokset kohdistuivat erityisesti biologisiin prosesseihin, joiden tiedetään olevan keskeisiä hermoston kehitykselle, mikä tukee käsitystä DNA-metylaation mahdollisesta roolista alkoholialtistuksen pitkäaikaisissa vaikutuksissa.
Although adverse outcomes of PAE are well documented, the molecular mechanisms linking exposure to long-term neurodevelopmental impairment remain unclear. Epigenetic regulation has emerged as a candidate mechanism through which early-life exposures may exert persistent effects on gene regulation without altering the DNA sequence. A growing body of evidence suggests that DNA methylation, one of the epigenetic mechanisms, contributes to developmental deficits related to PAE and may provide insight into the molecular pathways driving alcohol-associated neurodevelopmental impairment.
In this study, genome-wide DNA methylation patterns in buccal epithelial cells from 6-year-old children were analyzed to determine whether PAE-associated epigenetic differences are detectable in childhood. A cross-sectional study design was used to compare alcohol-exposed children to unexposed controls. Buccal epithelial samples from 28 alcohol-exposed, 4 smoking-exposed, and 52 control children were collected at six years of age. Genome-wide DNA methylation was assessed with the Infinium Methylation EPICv2 BeadChip microarray, followed by differentially methylated position and differentially methylated region analyses. Genes annotated to differentially methylated positions and regions were examined more closely, and pathway analyses were conducted to identify pathways enriched among them. In addition, the influence of prenatal smoking exposure was evaluated as a potential confounder by performing parallel analyses with and without smoking-exposed individuals included in the control group.
In the model adjusted for smoking exposure, a total of 2019 differentially methylated positions and 267 differentially methylated regions were identified, indicating that PAE-associated DNA methylation differences are detectable in 6-year-old children. Many genes prioritized for further investigation were related to the central nervous system, and several have been previously linked to alcohol exposure or aberrant alcohol use. Consistent with this, pathway-level analyses showed enrichment of biological processes related to central nervous system development, synaptic plasticity, and neural signaling. In addition, enrichment of broader developmental processes, as well as one-carbon metabolism, was observed, supporting the systemic nature of PAE and the known influence of alcohol on methyl donor availability. These findings indicate that children with PAE exhibit distinct DNA methylation patterns in buccal epithelial cells at six years of age, and that these differences may provide biologically meaningful signals of prenatal alcohol exposure.
Vaikka alkoholialtistuksen haitalliset vaikutukset tunnetaan hyvin, niiden taustalla olevia molekyylitason mekanismeja ei vielä täysin ymmärretä. DNA-metylaatio on epigeneettinen mekanismi, jonka kautta ympäristötekijöiden on esitetty vaikuttavan geenien säätelyyn ilman muutoksia DNA:n emäsjärjestykseen, ja sen on ehdotettu osallistuvan myös alkoholialtistuksen pitkäaikaisiin vaikutuksiin. Raskaudenaikaiseen alkoholinkäyttöön liittyy usein myös raskaudenaikainen tupakointi, jonka tiedetään vaikuttavan DNA-metylaatioon.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voiko raskaudenaikaiseen alkoholialtistukseen liittyviä DNA-metylaatiomuutoksia havaita kuuden vuoden iässä. Tutkimuksessa analysoitiin kuusivuotiaiden lasten posken epiteelisolujen DNA-metylaatiota genominlaajuisesti, vertaamalla alkoholille altistuneiden ja verrokkilasten näytteitä toisiinsa. Aineisto koostui 28 alkoholille altistuneesta, 4 tupakalle altistuneesta ja 52 verrokkilapsesta. DNA-metylaatiota tutkittiin Infinium Methylation EPICv2 -mikrosirun avulla. Alkoholialtistukseen liittyviä eroja tutkittiin yksittäisten CpG-kohtien tasolla DMP-analyysillä (differentially methylated position analysis) ja laajempien genomialueiden tasolla DMR-analyysillä (differentially methylated region analysis). Lisäksi analysoitiin metylaatiomuutoksiin liittyviä geenejä ja biologisia signalointireittejä. Tupakka-altistuksen mahdollista vaikutusta arvioitiin käyttämällä kahta rinnakkaista mallia, joissa tupakalle altistuneet lapset joko sisällytettiin verrokkiryhmään tai jätettiin siitä pois.
Tutkimuksessa havaittiin metylaatioeroja yksittäisten CpG-kohtien sekä laajempien alueiden osalta. Analyyseissä tunnistettiin yhteensä 2019 CpG-kohtaa ja 267 genomialuetta, joiden DNA-metylaatio erosi alkoholialtistuneiden ja verrokkilasten välillä, mikä viittaa siihen, että raskaudenaikaiseen alkoholialtistukseen liittyviä muutoksia DNA-metylaatiossa voidaan havaita kuuden vuoden iässä. Useat muutoksiin liittyvät geenit, joita tarkasteltiin tarkemmin, liittyivät keskushermoston toimintaan tai kehitykseen, ja osa niistä on aiemmin yhdistetty alkoholialtistukseen tai haitalliseen alkoholinkäyttöön. Rikastumisanalyysit osoittivat lisäksi yhteyksiä muihin kehityksellisiin prosesseihin sekä metioniinisykliin ja siihen liittyviin aineenvaihduntareitteihin. Nämä tulokset tukevat käsitystä siitä, että alkoholialtistus vaikuttaa sikiön elimistöön systeemitasolla ja että alkoholilla on vaikutuksia metyyliryhmiä luovuttavien aineiden saatavuuteen solutasolla. Tulokset viittaavat siihen, että raskaudenaikaiseen alkoholialtistukseen liittyvät DNA-metylaatiomuutoksia voi havaita kuuden vuoden iässä. Muutokset kohdistuivat erityisesti biologisiin prosesseihin, joiden tiedetään olevan keskeisiä hermoston kehitykselle, mikä tukee käsitystä DNA-metylaation mahdollisesta roolista alkoholialtistuksen pitkäaikaisissa vaikutuksissa.