Elisabeth Binder

Max Planck Institute of Psychiatry

Department of Translational Research in Psychiatry

binder@psych.mpg.de

Epigenetik, Prävention und frühe Risikoerkennung

Angaben über Beziehungen zur Industrie und

gewinnorientierten InstitutionenIch erkläre hiermit, dass ich geschäftliche, persönliche und/oder

materielle Interessenbeziehungen zu den folgenden

Industrieunternehmen, privaten gewinnorientierten Institutionen (wie

Privatkliniken, Verlage, Psychotherapieinstitute u.a.m.) unterhalten

habe oder gegenwärtig unterhalte, welche bezüglich dem von mir

hier vorgetragenen Thema relevant sind:

None

Renseignements concernant les relations avec

l'industrieJe déclare par la présente avoir entretenu ou entretenir

actuellement des relations commerciales, personnelles et

matérielles susceptibles de compromettre mon indépendance par

rapport au sujet que je m’apprête à traiter ici.

Nom de l’entreprise // type de relation: None

Information on relations to companies and

privately owned institutionsI hereby declare, that I have the following business or personal

relations to (industrial) companies or privately owned institutions,

who are relevant to the content of the presentation presented today:

Name of company // Relation type: None

Risiko Faktoren für psychiatrische

Erkrankungen

Genetik Gen x Umwelt

Interaktionen

Umwelt

Depression

PTSD

PGC MDD Molecular Psychiatry 2012

• Mega-Analyse von Genom-weiten Assozationsstudien– 9,240 MDD Fälle und 9,519 Kontrollen

• Kein Single Nucleotide Polymorphismus (SNP) mitGenom-weiter Signifikanz

Genomweite Assoziationsstudien?

Mehr Fälle oder andere Strategie?

Adapted from Visscher et al., Am J Hum Genetics 2012

# o

f G

WA

S h

its

# of cases

100

1

10

1000 10,000 100,000

Schizophrenia

38,000 cases

128 hits

Major depression

?17,000 cases

0 hits

Mehr Fälle oder andere Strategie?

Adapted from Visscher et al., Am J Hum Genetics 2012

# o

f G

WA

S h

its

# of cases

100

1

10

1000 10,000 100,000

Schizophrenia

38,000 cases

128 hits

Major depression

120,000 cases

17 hitsHyde et al., 2016

25

F(3,472)=37, p<.00001

0

5

10

15

20

1 2 3 4

Level of Childhood Abuse

Be

ck

Dep

ress

ion

In

ve

nto

ry

Child abuse and depression

Starker Risikofaktor:

Trauma in Kindheit

0

5

10

15

20

25

1st quartile 2nd quartile 3rd quartile 4st quartile

number of adult trauma

Be

ck

Dep

ress

ion

In

ve

nto

ry

no childabuse

child abuse

adult trauma: p < 0.0001child abuse: p < 0.0001

Child abuse, adult trauma and depression

Bradley&Binder Arch. Gen. Psych. 2008

disorder

Zeit

Sym

pto

me

Trauma Kindheit

Langzeit Einbettung von Risiko

Frühe Erfahrung und Epigenetik

DNA Methylierung

Histon Veränderungen

Non-coding RNAs

groups.mcr.umcutrecht.nl

- Erfahrung/Umwelt

– Ändert Gentranskription

– Langzeit Effekte via Epigenetik

Tomazou et al., 2010

Individuelle Unterschiede im Risiko

Early trauma

Genetisch/epigenetische Faktoren beeinflussen Langzeit

Effekte von Trauma

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

no child abuse 1 type 2 types 3 types

% lif

eti

me M

DD

Lifetime MDD Yes

Lifetime MDD No

11

Systeme die die Antwort auf die Umwelt vermitteln

= Stress Hormon System

Negative

feedback

Genetische und epigenetische Faktoren die die Antwort auf Stress verändern

Faktoren die das Risiko für psychiatrische Erkrankungen verändern?

12

Molekulare Verknüfung von Genetik und

Umwelt

STRESS

GRE

enhancer promoter

GRE

Cofactors

GR

GRE

enhancer promoter

GRE

interaction

Genetic variation

Genetic variation

GR

SNPs Effekte von GR

GR abhängige DNA Demethylierung

Nadine Provençal 13

Stress und Krankheits Risiko

G x E

E x E

Health

Disease

Stress

3‘5‘

GRE GREGRE GREGRE

Glucocorticoid response elements in FKBP5

AAAAA

Ultrashort

negative

feedback on GR

sensitivity

GR GR

hsp90

GR GR

hsp90

FKBP4

cortisol

dynein

GR GR

hsp90

rs1360780 T allele increases

TATA-Box BP binding

GR stimulated FKBP5 transcription

Binder et al,. 2004, Klengel et al,. 2013, Menke et al,. 2013

Genvarianten ändern FKBP5/GR Interaktion

rs1360780 und die negative Rückkopplung der

Stress Hormone Achse

adrenal gland

CRH

ACTH

cortisol

CRH

Mehr FKBP5 Induktion = mehr GR Resistenz = weniger negatives Feedback =

höhere Kortisol Spiegel

Binder Nat. Genet. 2004, Binder JAMA 2008, Klengel et a., Nat Neurosc. 2013, Ising 2008, Luijk 2010

baseline stimulation feedback

rs1360780 GA/AA

FK

BP

5 levels

cort

isol

FK

BP

5 levels

cort

isol

STRESSOR

rs1360780 GG

FKBP5 und Psychosozialer Stress

Genotyp mit starker mRNA Induktion = längeren Kortisol Antwort

Buchmann et al., Eur. Neuropsychopharmacology 2014

GR GR

hsp90

GR GR

hsp90

FKBP5 SNP and Bias für Bedrohung

Fani et al,. JAMA Psychiatry 2013

rs1360780 A/T = Bias für Bedrohung rs1360780 A/T = vermehrte

Hippocampus Aktivität

• FKBP5 SNPs

– ändern mRNA Induktion nach Stress

– Stresshormonantwort

– Wahrnehmung und Erinnerung von

Bedrohung/negativen Stimuli

• Effekte auf Risiko für psychiatrische

Erkankungen nach Kindheitstrauma?

FKBP5 Genotyp ändert Risiko für psychiatrische

Erkrankungen nach Trauma in der Kindheit

Binder&Bradley Jama 2008, Klengel et al., Nat.Neuroscience 2013.

Sym

pto

mau

sprä

gun

g

GR GR

hsp90

GR GR

hsp90

Kein

Trauma

Ein

Trauma

Zwei

Traumata

0

10

20

30

40

No Abuse 1 Type Child

Abuse

2 Types

Child Abuse

AA

AG

GG

Sym

pto

mau

sprä

gun

g

Kein

Trauma

Ein

Trauma

Zwei

Traumata

Kein genetischer Haupteffekt aber Interaktion mit

Trauma in der Kindheit

FKBP5 und Interaktion mit Trauma in Kindheit: N > 14,000

+ (adult) + (child) -

Depression 6 studies

N = 5551

3 studies

N = 1584

1 study

N = 1037

Appel et al,. 2011, Zimmermann et

al., 2011, Dackis et al.,2012;

VanZomeren-Dohm et al. 2015;

Kohrt et al,. 2015, Scheuer et al,.

2015, Comasco et l., 2015,

VanZomeren-Dohm et al, 2015

PTSD 4 studies

N = 4800

3 studies

(dissociation),

N =1083

PTG

N = 204

Binder et al,. 2008,

Xie et el., 2010; Klengel et al., 2013,

Boscarino et al,., 2012; Dunn et el,.

2014, Koenen et al,. 2005, Comasco

et al., 2015

Suicide attempts 1 study/N = 427 Roy et al,. 2010

Psychosis 1 study/N = 410 Collip et al,. 2013

Aggression 1 study/N = 411 Bevilacqua et al, 2012

Physical health 1 study/N = 527 Lessard et al, 2014

Drug abuse 1 study/N = 326 Handley et al., 2015

Working memory 1 study/N = 250 Lovallo et al., 2015

Keine Interaktion mit Trauma im

Erwachsenen Alter

0

10

20

30

40

no

adult trauma

one

adult trauma

Two

or more

PT

SD

sym

pto

m s

everity

(m

PS

S)

TTTCCC

Aber Genotyp verändert Kortisol Antwort

GR GR

hsp90

GR GR

hsp90

Molekulare Verknüpfung von Genetik und

Umwelt

GRE

MM M

mRNA

M

GR GR

hsp90

DNA De-methylierung

FKBP5 SNPs x Trauma Kindheit

DNA Demethylierung von FKBP5 GRE

Blut

Trauma + FKBP5 Risiko=

Demethylierung von GRE

No trauma - FKBP5 protective alleleNo trauma - FKBP5 risk alleleTrauma - FKBP5 protective alleleTrauma - FKBP5 risk allele

0

20

40

60

80

100

% D

NA

me

thyla

tio

n

**

** *

Intron 7 GRE CpGs

untreatedvehicledexamethason

e

0

20

40

60

80

100

% D

NA

me

thly

atio

n

**

***

Intron 7 GRE CpGs

Humanen Hippocampus

Progenitor Zelen

GR Aktivierung=

Demethylierung von GRE

Klengel et al,. Nature Neurosciences. 2013

genetic

Klengel & Binder NPP 2014

Klengel et al. Nature NS 2013

Yehuda et al, Biol. Psych. 2015

resilience risk

enviro

nm

ent

Genetische und epigenetische Enthemmung von

FKBP5

„FKBP5 disinhibition disorder“

time

sym

pto

ms

FKBP5

genotype

Adversity

Hippocampus

amygdala

FKBP5 Antagonist

Gassen et al. 2014 PlosMed; Gassen et al. 2015 MolPsych; Gassen et al,. 2015 Science Sign.; Blair et al 2013 JCI; Klengel et al,. 2013 Nature

Neuroscience; Fani et al., JAMA Psych. 2013; NPP 2014; Kohrt et al., 2015; Gaali et al,. 2015 Nature Chemical Biology; etc...

FKBP5 Antagonisten?

Neue Psychopharmaka?

Felix Hausch

Gaali und Kirschner et al Nat. Biol Chem 2015

FKBP5 Antagonisten im Tiermodell

Hemmung von FKBP5 führt zu weniger Angst und erhöht die Fähigkeit

mit Stress umzugehen

Neue Behandlungsstrategien?

GR GR

hsp90

Biomarker

Stress beeinflusst die Gesundheit

ein Leben lang

Maternal stressMaternal depressionExposure to GC

Child abuse trauma Chronic stress

Psychiatrische Erkrankung

Internistische Erkrankung

Veränderter Tonus Glucokortikoide

Hippocampus und Stress

Scharf, PLoS One. 2011

VEH

DEX

Fani et al., 2014 and 2013;

Pagliaccio et al., 2013 ; Grabe et al., 2016

FKBP5 höchste Expression

im HippocampusFKBP5 SNPs assoziiert mit

Hippocampus Volumen und

Konnektivität

Nadine Provençal 31

• Model:

• Human

• Neuronal

Zell Model für langanhaltende Effekte von

Glucokortikoiden im Hippocampus

Multipotent human hippocampal

progenitor cells (HPCs)

Anacker et al., Neuropsychopharmacology, 2011

Supplementary Figure 3

TuJ1/SYP/Hoechst

TuJ1/SYP/Hoechst

SYP/Hoechst

Homer1/Hoechst MAP2/Homer1/Hoechst

a. b.

c.

d.

e.

f.

TuJ1/SYP/Hoechst

Prox1/HoechstProx1

g. h.

Supplementary Figure 3

TuJ1/SYP/Hoechst

TuJ1/SYP/Hoechst

SYP/Hoechst

Homer1/Hoechst MAP2/Homer1/Hoechst

a. b.

c.

d.

e.

f.

TuJ1/SYP/Hoechst

Prox1/HoechstProx1

g. h.

HPCs differenzieren in

hippocampale Neuronen

und exprimieren

synaptische Marker

Nadine Provencal

Nadine Provençal 32

• Model:

• Neuronal

• Human

• Glucokortikoid Effekte

• HPCs Genexpressions

Profil wie Expression in

Schwangerschaftswoche

16-21

Multipotent human hippocampal

progenitor cells (HPCs)

Zell Model für langanhaltende Effekte von

Glucokortikoiden im Hippocampus

33

Glucokortikoid Behandlung in humanen

hippocampalen Progenitor Zellen (HPCs)

Proliferation and differentiation

Proliferation and differentiation

+ 20 days of washout

10 days post pro. and diff.

+ 20 days of washout

Proliferation

+ bFGF, + EGF and + 4-OHTpro

3d

pro

3d

diff

7d

pro

3d

diff

7d

post-

pro/diff

10d

Dexamethasone

Harvest and extract DNA

and RNA

Illumina 450k methylation

Illumina HT12v4 gene expression

34

Lang-anhaltenden GR-induzierte Demethylierung

pro

Pro

pro diff

Pro/diff

pro diff

Pro/diff, 20d washout

229018239125

CpGs methylation

2555

6423

292

Closest gene

name

Regulatory

region Location MethylationSMOX Enhancer intronic

CLUAP1 NA UTR3

MRPS28/HEY1 Enhancer intergenic

SNORD116-2 NA upstream (TSS)

NR1D2 Enhancer exonic

LOC644838, MEIS1 Enhancer intergenic

LINC00704, KLF6 Enhancer intergenic

RGMA, MCTP2 Enhancer intergenic

FAM73A Enhancer intronic

ELK3 NA intronic

DKFZp686O1327 Enhancer ncRNA_intronic

RNU6-66P DHS ncRNA_intronic

ANAPC16, DDIT4 Enhancer intergenic

ATP2B4, OPTC Enhancer intergenic

FKBP5 Enhancer exonic

TPD52L1 Enhancer intronic

TEAD1 Enhancer intronic

LRP1 Enhancer intronic

RAMP1 NA intronic

LINC00330, NUFIP1 Enhancer intergenic

FAM150B, TMEM18 NA intergenic

TM4SF1 DHS upstream (TSS)

KIAA1217 Enhancer intronic (TSS)

LTBR, SCNN1A Enhancer intronic (TSS)

STAC3 Enhancer intronic FC > 5%

35

FKBP5 Genexpression und Methylierung

Vehicle

Dexamethasone

0

2

4

6

8

10

12

14

Prol Pro/diff Pro/diff+20D

washout

Postpro/diff

+20Dwashout

Gene expression

No

rmal

ize

d p

rob

e in

ten

sity

******

*** q<0.001, ** q<0.01, * q<0.05, # q<0.1

DNA Methylierung in FKBP5 programiert zukünftige Stressantwort?

0

10

20

30

40

50

60 cg14284211

***

#

Methylation Intron 5

#

***

% M

eth

ylat

ion

Prol Pro/diff Pro/diff

+20D

washout

Post pro/

diff +20D

washout

GRE

450K

CpG

Intron 7 Intron 5Intron 6Chr6

Nadine Provençal 36

Priming der zellulären Stressantwort

GREGRE

GREGRE

Stress

GRE

cStress

Stress

Früher Stress verändert zelluläre Antwort

auf Stress

Risiko - Resilienz

Stress beeinflusst die Gesundheit

ein Leben lang

Maternal stressMaternal depressionExposure to GC

Child abuse trauma Chronic stress

Psychiatrische Erkrankung

Internistische Erkrankung

Veränderter Tonus Glucokortikoide

38

Trauma der Eltern beeinflusst FKBP5

Methylierung in Kindern

Offspring of stress- or

trauma-exposed parents

may be at greater risk for

physical, behavioral, and

cognitive problems, as well

as psychopathologyBowers and Yehuda NPP 2016

Stress beeinflusst die Gesundheit

ein Leben lang

Maternal stressMaternal depressionExposure to GC

Child abuse trauma Chronic stress

Psychiatrische Erkrankung

Internistische Erkrankung

Veränderter Tonus Glucokortikoide

Expression von FKBP5 steigt mit Alter

(Präfrontaler Cortex)

http://braincloud.jhmi.edu/

r = -0.42

p < 2 x 10-16

Average methylation of

age-related sites (2 CpGs)

% D

NA

me

thyla

tio

n

Age

Illumina 450k Array

in peripheral blood

Cohort 1: N = 411

Cohort 2: N = 1727

Cohort 3: N = 538

Zannas et al., in preparation

Tau processing

Alzheimer’s

Blair et al., JCI 2013

FKBP5 Methylierung und Alter

Average methylation of

intron 7 GRE (6 CpGs)

Alter und Depression regulieren FKBP5

epigenetisch

Non-

depressed

Depressed

Interaction p < 0.01

Re

sid

ua

ls %

DN

A

me

thyla

tio

n

Age

Zannas et al., in preparation

Depression und

Altersabhängige De-

methylierung

Low

methylation

High

methylation

r1 = 0.53

r2 = 0.24

Interaction

p = 2.2 x 10-4Baseline cortisol

FK

BP

5m

RN

A

Methylierung und

FKBP5 mRNA

Altern und Depression/Trauma sind mit De-methylierung

von FKBP5 assoziiert

Stress/cortisol

FKBP5 FKBP5

Stress/cortisol

Younger Older

FKBP5 – Stress und Altern

FKBP5 methylation

Genetisches und epigenetisches Priming

Risiko

Neue Behandlungsstrategien?

Molekularer Mechanismus

Biomarker

Longitudinale Studien in der Psychiatrie

Time

sy

mp

tom

s

Gene und Umwelt (GxE)

Cofactors

GR

GRE

enhancer promoter

GRE

interaction

Genetic variation

Acknowledgements

Janine Arloth, Darina Czamara, Tania

Carillo Roa, Stella Iurato, Lilia Pabst,

Julius Pape, Nadine Provencal, Monika

Rex-Haffner, Simone Röh, Peter Weber,

Tobias Wiechmann, Anthony Zannas

Funding:

Bertram Müller-Myhsok, Felix Hausch,

Theo Rein and Nils Gassen

Charité Berlin

Christine Heim

Kings College London

Carmine Pariante

Christoph AnnackerUniversity of Miami

Charles Nemeroff

Grady Trauma project

Kerry Ressler

Tanja Jovanovic

Negar Fani

Lynnn Almli

Kristie Mercer

Alicia Smith

Karen Conneely

Bekh Bradley

Torsten Klengel

Helmholtz Center

Andreas Ruepp

Wolfgang Wurst

Duke University

Ahmad Hariri

Washington University

Ryan Bogdan

University of Queensland

Divya Mehta

University of Würzburg

Andreas Menke

Mathias Schmidt and Jakob Hartmann