Epigenetic DNA methylation of the HERV-W promoter during aberrant human placentogenesis and tumorigenesis

Endogene Retroviren integrierten vor 5 bis 40 Mio. Jahren ins Genom und bilden etwa 8% der humanen DNA-Sequenz. Bis dato sind 18 intakte Hüllproteine humaner endogener Retroviren (HERV) identifiziert worden, die sowohl während der Plazentogenese als auch Tumorgenese exprimiert werden. Syncytin-1, das Hüllprotein von HERV-W, ist vor allem für die Bildung des Syncytiotrophoblasten in der Plazenta essentiell. Diese multinukleäre Zelle bildet die Grenzmembran zwischen dem mütterlichen und fetalen Blutkreislauf und ist für den gesamten Nährstoff- und Gasaustausch zuständig. Ist der Transport über die Plazentaschranke vermindert, kann es unter anderem zur Intrauterinen Wachstumsrestriktion (IUGR), Präeklampsie (PE) oder dem High Elevated Liver and Low Platelets Syndrom (HELLP) kommen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass die Genexpression von fünf der sechs untersuchten intakten HERV-Hüllgenen Syncytin-1, Syncytin-2, envERV3, envV1 und envV2 für IUGR im Vergleich zur Kontrolle signifikant erniedrigt war. Für Syncytin-3 kam es in IUGR im Vergleich zur Kontrolle zu keiner Veränderung in der Genexpression. Die Rezeptoren für Syncytin-1, ASCT-1 und ASCT-2, lagen in den Kohorten unverändert vor, allerdings kam es für den Syncytin-2 Rezeptor MFSD2 zu einer signifikant erniedrigten Genexpression in IUGR im Vergleich zur Kontroll-Plazenta. MFSD2 gehört zur Familie der Kohlenhydrattransporter und wird ausschließlich im Syncytiotrophoblasten exprimiert. Der in den IUGR-Feten erniedrigte Glukosespiegel könnte daher auf eine verminderte Expression von MFSD2 zurück zu führen sein. Die gehemmte Expression der HERV-Hüllproteine korrelierte mit einem signifikant verminderten Fusionsverhalten der Zytotrophoblasten in IUGR sowohl in der Plazenta als auch in kultivierten Trophoblasten im Vergleich zur Kontrolle. Die verminderte Genexpression von Syncytin-1 konnte in dieser Arbeit auf eine epigenetische Deregulation zurückgeführt werden. Eine Hypermethylierung der Promotorregion von HERV-W konnte für IUGR (52%), PE (57%), PE/IUGR (50%) und HELLP/IUGR (68%) im Vergleich zu Kontroll-Schwangerschaften (31%) beobachtet werden. In den Chorionkarzinomzelllinien JEG3, JAR und BeWo konnte gezeigt werden, dass eine Demethylierung mittels 5´AZA-2 Desoxycytidin zum Anstieg der Syncytin-1 Expression und des Fusionsindex dieser Zelllinien führte. Mit Hilfe von Reportergenen konnten wir zeigen, dass eine vollständige Hypermethylierung der HERV-W Promotorregion eine 42-fach erniedrigte Promotoraktivität zufolge hatte und dass die Überexpression von Syncytin-1 allein auf eine Hypomethylierung des HERV-W Promotors zurückzuführen ist. Eine zur IUGR konträre Regulation konnten wir im Endometrialkarzinom beobachten. Die erhöhte Syncytin-1 Expression im Endometrialkarzinom korrelierte mit einer signifikanten Hypomethylierung (41%) des Promotors von HERV-W im Vergleich zum postmenopausalen Endometrium (59%). In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie es durch eine epigenetische Regulation des HERV-W Promotors im Plazentagewebe (Hypermethylierung) zur Enstehung der schwangerschaftsassoziierten Erkrankungen kommen könnte. Im Gegensatz dazu, werden während der Tumorgenese Gene, wie beispielsweise Syncytin-1 reaktiviert, die physiologisch nur in der frühen Entwicklung exprimiert werden sollten.Approximately 8% of the human genome consists of human endogenous retroviruses (HERV), which integrated the genome millions of years ago. Up to date 18 intact HERV envelope proteins were identified and it was shown that they play important roles during placentogenesis as well as tumorigenesis. The envelope protein of HERV-W, named Syncytin-1 is essential for the formation of the syncytiotrophoblast in the human placenta. This multinucleated cell forms the barrier between mother and fetus and is responsible for the nutrient and gas exchange. A decreased transport between this placental barrier is discussed as one cause leading to intrauterine growth restriction (IUGR), preeclampsia (PE) or high elevated liver and low platelets syndrome (HELLP). In this work, we were able to show a significant decreased gene expression of the HERV envelope proteins Syncytin-1, Syncytin-2, envERV3, envV1 and envV2 in IUGR compared to control placentae. The envelope gene Syncytin-3 showed no differences in gene expression in IUGR and control placentae. The receptors of Syncytin-1, ASCT-1 and ASCT-2 were not differencially expressed in these cohorts, but the Synyctin-2 receptor MFSD2 showed a significant lower gene expression in IUGR in comparison to control placentae. MFSD2 belongs to the putative carbohydrate transporter family and is exclusively expressed in the syncytiotrophoblast. The lower glucose level found in IUGR fetus could be due to a decreased MFSD2 expression. The inhibition of HERV envelope genes in IUGR placentae correlated with a significant decreased fusion property of cytotrophoblasts in tissues as well as with cultivated trophoblasts. The decreased gene expression of Syncytin-1 correlated with a deregulation of HERV-W DNA methylation. We were able to show a significant hypermethylation of the HERV-W promoter region in IUGR (52%), PE (57%), PE/IUGR (50%) and HELLP/IUGR (68%) compared to control placentae (31%). Using the choriocarcinoma cell lines JEG3, JAR and BeWo we showed that a demethylation with 5´AZA-2 deoxycytidin increased the Syncytin-1 expression and the cell fusion index. Gene reporter assays indicated that a complete hypermethylation of the HERV-W promoter region decreased the promoter activity over 42-fold and the Syncytin-1 overexpression was due solely to a hypomethylation of the HERV-W promoter. In endometrial carcinoma we were able to show a contrary regulatory mechanism. The increased Syncytin-1 expression in endometrial carcinomas correlated with a significant hypomethylation of the HERV-W promoter (41%) in comparison to patient matched control postmenopausal endometrium (59%). This work demonstrates that hypomethylation of the HERV-W promoter caused by an epigenetically deregulated mechanism could be one cause for pregnancy associated diseases. In contrast, the same epigenetic mechanism could be responsible for reactivation of genes, like Syncytin-1 during tumorigenesis, which are normaly expressed during early human development