Genetics and Epigenetics of Nicotine Dependence : Polymorphisms and methylation of CYP2D6, MAOA, MAOB, and SLC6A3 genes as modifiers of smoking phenotypes

Nicotine dependence is a major cause of tobacco-related illnesses. Although tobacco smoking continues to be the leading cause of preventable death, and although the harmful health effects resulting from it are well known, about 20% of the global population continues to smoke. The addiction-causing substance in tobacco, nicotine, acts through dopamine pathways in the brain to produce several pleasurable experiences as a result of cigarette smoking. There are significant individual differences in how nicotine affects the body, and these differences in both the neurological and metabolic pathways of nicotine may determinate the degree of the subsequent nicotine addiction. Thus, both genetic and epigenetic factors related to nicotine metabolism and nicotine-induced dopamine metabolism can have an important role in influencing individual smoking behaviour. In this thesis, in addition to the potential nicotine metabolism-related gene, CYP2D6, a few selected genes acting in dopamine routes, namely, MAOA, MAOB, and SLC6A3, were genotyped for their several known variants, together with their selected DNA methylation sites. The polymorphisms and variations in DNA methylation levels of the genes included in the study were examined in relation to numerous smoking-related phenotypes in a well characterized study population of 1,230 Caucasians of Russian origin. The aim was to discover novel relations among several smoking-related phenotypes and methylation of the studied genes, as well as to verify some findings of the previous genetic studies on this topic. Our results indicate that the poor metabolic capacity associated-CYP2D6 genotype, defined by the data derived from eight functional polymorphic sites of the gene, is related to cigarette consumption such that the carriers of this genotype have reduced risk of heavy smoking compared to the carriers of the extensive metabolism-associated genotype. We also discovered that the poor metabolizer genotype occurred more frequently with higher methylation values, which was found to be inversely related to heavier smoking. The studies on dopamine related genes revealed that the MAOA 1460 T variant allele, variable number of tandem repeat (VNTR) high-activity alleles (3.5R, 4R, and 5R), and MAOB int13 common G allele were more prevalent in female smokers than non-smokers. Additionally, the 5R allele of 30bp VNTR and the 9R allele of 40bp VNTR in SLC6A3 were associated with negligible smoking history. Moreover, although the carriers of 9R allele had somewhat higher Fagerström Test for Nicotine Dependence (FTND) scores, they were also more likely to successfully cease smoking. When methylation levels were explored, we found that current smokers were 2.5 times more likely to have increased SLC6A3 mean methylation levels compared to ex-smokers, whereas in MAOA and MAOB genes the methylation levels of single CpG sites were independently related to smoking behaviour. In addition, some of the alterations in DNA methylation levels at individual CpG sites showed a high degree of dependence on the genetic polymorphisms studied, while others did not. As expected, age and gender were found to be major contributing factors in determining the DNA methylation levels. Our findings indicate that the CYP2D6-related metabolic capacity may be associated with cigarette consumption both through genetic and epigenetic mechanisms. Additionally, our results suggest that both the genetic and the epigenetic profiles of MAO and SLC6A3 genes modify the availability of dopamine and thereby shape the risk of developing nicotine dependence. Due to the complexity of nicotine addiction and the related phenotypes, more high-quality research is needed to verify these novel findings.Tupakointi on edelleen maailmanlaajuisesti suurin ennaltaehkäiseviin kuolemiin johtava syy. Nikotiiniriippuvuus on tärkeä syy tupakoinnin jatkamiseen, ja sitä kautta sillä on tärkeä rooli tupakkaperäisten sairauksien kehittymisessä. Nikotiini vaikuttaa aivojen dopamiinireitillä aiheuttaen useita miellyttäviä kokemuksia tupakoinnin seurauksena. Merkittävät yksilölliset erot nikotiinin neurologisella ja aineenvaihdunnallisella reitillä voivat määrätä yksilölle tupakoinnista aiheutuvan nikotiiniriippuvuuden asteen, jolloin näillä poluilla vaikuttavilla geneettisillä ja epigeneettisillä tekijöillä voi olla merkittävä vaikutus yksilölliseen tupakointikäyttäytymiseen. Tässä väitöskirjassa tutkittiin hyvin karakterisoidussa 1230 venäläisestä henkilöstä koostuvassa tutkimusaineistossa potentiaalisen nikotiiniaineenvaihduntaan osallistuvan CYP2D6-entsyymin ja dopamiinireiteillä toimivien entsyymien, MAOA, MAOB ja SLC6A3, aktiivisuuteen vaikuttavien geenimuunnosten ja valittujen DNA-metylaatiokohtien suhdetta useisiin tupakointiin liittyviin fenotyyppeihin. Tavoitteena oli sekä löytää uusia kytköksiä useiden tupakointiin liittyvien fenotyyppien ja tutkittujen geenien metylaatiotasojen välillä että varmistaa joitain aikaisempien geenitutkimusten tuloksia. Tulosten perusteella CYP2D6 -metaboliakyky vaikuttaa savukkeiden kulutuksen määrään sekä geneettisen että epigeneettisen mekanismin kautta. Runsaan tupakoinnin havaittiin liittyvän sekä nopean metaboliakyvyn geenimuotoihin että alhaisiin CYP2D6 -metylaatiotasoihin. Lisäksi tulokset viittaavat siihen, että sekä MAO- että SLC6A3-geenien geneettinen ja epigeneettinen profiili vaikuttaa dopamiinin saatavuuteen elimistössä ja muokkaa sitä kautta yksilöllistä alttiutta nikotiiniriippuvuuden kehittymiseen. Tutkittujen geenimuunnosten havaittiin liittyvän erityisesti tupakoinnin aloittamisen ja lopettamisen fenotyyppeihin. Keskimääräisiä metylaatiotasoja koskevissa tutkimuksissa puolestaan havaitsimme SLC6A3 -metylaatiotasojen olevan merkittävästi korkeammat nykyisillä tupakoijilla verrattuna entisiin tupakoitsijoihin, kun taas MAOA- ja MAOB-geeneissä yksittäisten CpG-kohtien metylaatiotasot liittyivät toisistaan riippumattomasti tupakointikäyttäytymiseen. Tutkimuksessamme havaittiin myös merkittäviä alueellisia eroja metylaatiotasojen vaihteluissa tutkittujen geneettisten monimuotoisuuskohtien, iän ja sukupuolen suhteen. Tupakointiriippuvuuden ja siihen liittyvien fenotyyppien monitahoisuuden vuoksi tarvitaan luonnollisesti vielä lisää laadukkaita tutkimuksia näiden uusien löydösten varmistamiseksi