Associations between prenatal and early life stress and physical and mental health outcomes in prospective pregnancy and birth cohorts of children, adolescents and older adults : the role of epigenetics and genetics

Maternal depression and anxiety during pregnancy may present risks for the developing fetus and offspring lifelong physical and mental health. Exposure to postnatal early life stress (ELS) has also been extensively associated with health problems decades later. According to the Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD) hypothesis, environmental factors during pregnancy and early childhood may compromise the development of tissue, organs and systems, such as hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis. While the underlying biological mechanisms are not fully understood, epigenetic alterations and genetic vulnerability are the promising biomarkers, which have been suggested to mediate the association of antenatal and early adversity with physical and mental health later in life. The aim of this work was to examine whether exposure to maternal antenatal depression and anxiety was associated with polyepigenetic modifications in their children reflected by the polyepigenetic biomarkers of child’s epigenetic gestational age (GA) and glucocorticoid (GC) exposure score. Additionally, it explored whether these modifications were associated with and mediated the effects of antenatal exposures on child mental health outcomes and whether the associations were moderated by child’s sex. As epigenetic processes undergo age-related changes, the next aim was to study whether epigenetic modifications reflected by the polyepigenetic biomarker of epigenetic clock were associated with physical growth, neuroendocrine functioning, cognition and mental health in adolescents. Finally, this thesis also examined whether genetic variants in FKBP5, the gene that plays a role in the HPA-axis regulation, interacted with exposure to ELS in prediction of type 2 diabetes (T2D), cardiovascular disease (CVD), and quantitative glycemic traits in older adults. The participants for the studies come from three prospective cohorts. Studies I and II capitalize on the Prediction and Prevention of Preeclampsia and Intrauterine Growth Restriction (PREDO) birth cohort. We had full information on genome-wide methylation and genotype from 817 fetal umbilical cord blood samples. In Study I, 694 mothers provided information on their history of depression diagnosed before pregnancy, 581 completed the Center for Epidemiological Studies Depression Scale (CES-D) throughout pregnancy, and 407 completed the Child Behavior Checklist (CBCL) at child’s mean age 3.7 years. DNA methylation (DNAm) GA of fetal cord blood DNA was based on the methylation profile of 148 selected CpG sites. Polyepigenetic biomarker of child’s epigenetic GA was calculated as the arithmetic difference between DNAm GA and chronological GA and adjusted for chronological GA. In Study II, we had information on child diagnoses of mental and behavioral disorders and the number of days the child had been receiving in- or outpatient treatment for these disorders as the primary diagnosis from birth to age 7.1-10.7 years (n=814). Mothers (n=583) reported depressive and anxiety symptoms during pregnancy, using CES-D and State Anxiety Inventory (STAI), respectively. A weighted cross-tissue polyepigenetic GC exposure score was calculated based on the methylation profile of 24 CpGs. Study III was based on the Glycyrrhizin in Licorice (Glaku) cohort. We had information available on DNA samples, physical growth and pubertal development, cognitive abilities, psychiatric problems assessed by mothers with CBCL questionnaire, and saliva samples to estimate cortisol levels for a subsample adolescents at the mean age of 12.3 (n=239). DNAm age was estimated using the Horvath age estimation algorithm. The polyepigenetic biomarker of epigenetic clock was calculated as the unstandardized residual from a linear regression of DNAm age on chronological age and six cell count types. For Study IV, a total of 1,728 Helsinki Birth Cohort Study (HBCS) participants born from 1934 to 1944 were genotyped for FKBP5 SNPs (rs1360780, rs9394309, rs9470080) and were administered a 2-hour (75 g) oral glucose tolerance test (OGTT) and a questionnaire on physician-diagnosed and medication use for chronic diseases at a mean age of 61.5 years. Of them, 273 were exposed to ELS defined as separation from biological parents at a mean age of 4.7 years due to evacuations during World War II. In Study I we found that lower child’s epigenetic GA at birth was significantly associated with maternal history of depression diagnosed before pregnancy and higher antenatal depressive symptoms. It also prospectively predicted child’s total and internalizing problems in early childhood, partially mediating the association of maternal antenatal depression with child internalizing problems, although only in boys. It may signal about their developmental vulnerability to maternal depression during pregnancy (Study I). In Study II we show that while polyepigenetic GC exposure score at birth was not predictive of higher risk for any mental and behavioral disorder in childhood, lower score was associated with more days spent in in- or outpatient treatment for any mental and behavioral disorder as the primary diagnosis. This finding may contribute to better understanding and identification of children at risk for more severe mental and behavioral disorders already at birth (Study II). Next, we demonstrate that adolescents with epigenetic clock age acceleration (AA) displayed more advanced physical growth and development, had higher salivary cortisol upon awakening and higher odds for displaying borderline clinically significant internalizing problems, which may index risk of earlier aging and age-related diseases (Study III). Finally, Study IV revealed that three selected FKBP5 polymorphisms moderated the association of ELS on insulin and glucose values at fasting state and/or during an OGTT in late adulthood, supporting the role of gene-environment interaction and HPA axis dysregulation in the development of metabolic disorders. These study findings provide valuable insights on how the polyepigenetic biomarkers of antenatal adverse exposures and aging and biomarkers of genetic vulnerability in combination with the information about ELS might contribute to early identification of individuals at risk for complex mental and physical disorders enabling timely targeted preventive and therapeutic interventions.Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD)-hypoteesin mukaan raskaudenaikaiset ja varhaislapsuuden ympäristötekijät voivat vaikuttaa kudosten, elinten ja elimistön säätelyjärjestelmien, kuten hypotalamus-aivolisäke-lisämunuainen -akseli (HPAA) toimintaan pitkälläkin aikajänteellä. Esimerkiksi raskaudenaikainen masennus ja ahdistus voivat haitata sikiön kehittymistä ja lisätä terveysongelmien riskiä syntymän jälkeen. Myös varhaislapsuuden stressi voi lisätä terveysongelmien riskiä. Epigeneettiset muutokset ja geneettinen vaihtelu ovat lupaavia biomarkkereita, joiden on ehdotettu välittävän ja muokkaavan sikiöaikaisten ja varhaislapsuuden ympäristövaikutusten yhteyksiä fyysiseen ja henkiseen terveyteen myöhemmässä elämässä. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia, liittyykö altistuminen raskaudenaikaiselle masennukselle ja ahdistukselle kahteen lapsen epigeneettiseen biomarkkeriin: epigeneettiseen gestaatioikään ja glukokortikoidialtistuksesta kertovaan epigeneettiseen indikaattoriin. Lisäksi työssä selvitettiin, välittyikö raskaudenaikaisten altisteiden vaikutus lasten mielenterveyteen näiden biomarkkereiden kautta. Seuraavana tavoitteena oli tutkia kolmannen epigeneettisen biomarkkerin, epigeneettisen kellon, yhteyksiä fyysiseen kasvuun, neuroendokriinisiin vasteisiin, kognitiivisiin kykyihin ja mielenterveyteen murrosikäisillä. Lopuksi tässä opinnäytetyössä tutkittiin myös HPAA säätelyssä olennaisen FKBP5 geenin varianttien ja varhaisen stressin yhteisvaikutusta insuliini- ja glukoositasoihin sekä tyypin 2 diabetekseen ja sydän- ja verisuonitauteihin myöhäisessä aikuisuudessa. Tutkimuksiin osallistujat tulevat kolmesta prospektiivisesta kohortista. Osatutkimukset I ja II hyödynsivät PREDO syntymäkohortin aineistoa. Tähän kuuluu genominlaajuinen metylaatio- ja genomiaineisto 817:sta napaverinäytteestä. Osatutkimuksessa I, 694:ltä äidiltä oli lisäksi tieto masennusdiagnoosista ennen raskautta, 581 täytti CES-D masennusoirekyselyn raskauden aikana ja 407 täytti CBCL-kyselyn lapsen käyttäytymis- ja tunneongelmista kun lapset olivat keskimäärin 3.7 -vuotiaita. Epigeneettinen gestaatioikä eli määriteltiin 148 napaveren DNA:n metylaatiokohdan (CpG) perusteella. Tutkimuksessa II aineistona oli lasten mielenterveys- ja käyttäytymishäiriöiden diagnoosit sekä niiden päivien lukumäärästä, jolloin lapsi oli ollut näiden sairauksien takia avo- tai sairaalahoidossa syntymästä 7.1 - 10.7 vuoden ikään saakka (n = 814). Äidit raportoivat myös raskaudenaikaisen masennusoireensa CES-D kyselyllä ahdistuksensa STAI kyselyllä (n = 583). Glukokortikoidialtistuksesta kertova epigeneettinen biomarkkeri laskettiin 24 CpG:n metylaatioprofiilin perusteella. Tutkimus III perustui Glaku -kohortin aineistoon. Aineistona oli DNA-näytteet, fyysinen kasvu ja murrosiän kehitys, kognitiiviset kyvyt, CBCL-kyselylomakkeella raportoidut käyttäytymis- ja tunneongelmat ja sylkinäytteistä määritetty kortisolipitoisuus keskimäärin 12.3 -vuoden iässä (n = 239). Epigeneettinen ikä arvioitiin Horvathin algoritmilla. Tutkimuksessa IV määritettiin FKBP5 geenin variantit (rs1360780, rs9394309, rs9470080) n=1728 HBCS -tutkimukseen osallistuneelta vuosina 1934–1944 syntyneeltä. Heille tehtiin myös 2-tunnin (75 g) sokerirasitustesti ja he raportoivat lääkärin diagnosoimista kroonisista sairauksista ja lääkkeidenkäytöstä keskimäärin 61.5 vuoden iässä. Tutkittavista 273 oli altistunut varhaiselle stressille, joka märiteltiin eroksi biologisista vanhemmista 2. maailmansodan aikana tapahtuneen evakuoinnin (sotalapsi) vuoksi keskimäärin 4.7 vuoden iässä. Tutkimuksessa I havaitsimme, että matalampi lapsen epigeneettinen gestaatioikä, suhteessa kronologiseen gestaatioikään syntymähetkellä liittyi ennen raskautta diagnosoituun äidin masennukseen ja raskausaikaisiin masennusoireisiin. Se ennusti myös lapsen käyttäytymis- ja tunneongelmia varhaislapsuudessa sekä välitti osittain äidin masennuksen yhteyttä lapsen tunneongelmiin, erityisesti pojilla. Tutkimuksessa II osoitimme, että glukokortikoidialtistuksesta kertovan epigeneettisen indikaattorin matalmpi taso liittyi lapsen mielenterveyden ja käyttäytymishäiriön vuoksi sairaalassa tai avohoidossa vietetyn hoitojakson pituuteen. Tutkimuksessa III osoitimme, että korkeampi epigeneettinen ikä suhteessa kronologiseen ikään, oli yhteydessä fyysiseen kasvuun ja kehitykseen, korkeampiin syljen kortisolitasoihin heräämisen jälkeen ja lievien internalisoivien ongelmien korkeampaan riskiin. Lopulta Tutkimuksessa IV osoitimme, että kolme FKBP5-varianttia muokkasi varhaislapsuuden stressikokemuksen yhteyttä korkeampiin paaston- ja/tai sokerirasituksen jälkeisiin insuliini- ja glukoosiarvoihin myöhäisessä aikuisiässä. Nämä tutkimustulokset antavat arvokasta tietoa siitä, kuinka raskauden- tai lapsuuden aikaisten altistusten tai ikääntymisen epigeneettiset biomarkkerit ja geneettiset biomarkkerit yhdessä varhaista stressiä kuvaavan tiedon kanssa voivat auttaa tunnistamaan ajoissa ne henkilöt, joilla on kohonnut riski mielenterveyden ongelmille tai fyysisille sairauksille. Tunnistaminen mahdollistaa ennaltaehkäisevien toimenpiteiden kohdentamisen oikea-aikaisesti jopa vuosikymmeniä ennen oireiden ilmaantumista