DNA methylation in a nutritional and social context : a study of cytosine modifications in honey bee (Apis mellifera) workers

Abstract

Intergenic DNA methylation is widespread in both the animal and plant kingdoms. Its presence in exons is believed to be dynamic and suggests its involvement in the regulation of alternative splice variants. In addition, the relatively recently discovered enzymatically oxidized forms of 5mC, such as 5fC, 5caC, and 5hmC, seem to be involved in active demethylation. However, their role is poorly understood. Gene body methylation could be influenced by bioactive food compounds, a class of nonmacromolecular compounds that are mainly plant-derived. Ethanol, a versatile solvent of many bioactive food compounds, is one of the most detrimental substances abused in Europe and a leading cause of death in the US. Nonetheless, the effects of chronic ethanol consumption on gene body methylation remain largely unstudied. Using the honey bee as a model organism, this thesis seeks to investigate the effects of bioactive food components and ethanol on survival and intragenic DNA methylation. Additionally, by including enzymatically oxidative 5mC derivatives, this work seeks to extend the understanding of invertebrate DNA methylation in a general and social context. Honey bees are a good model for studying intragenic methylation, as DNA methylation is mostly confined to gene bodies, as opposed to mammals, where the bulk of DNA methylation is located at promoters and repeat elements. My findings indicate that gene body methylation can be influenced externally by bioactive food compounds. Specifically, ethanol induces damage to lifespan and DNA methylation, but these changes are blocked by curcumin, the main compound isolated from the rhizome of the turmeric plant. These DNA methylation changes were present in genes involved in fertility, temperature regulation, and tubulin transport. Additionally, my data indicate that isovaleric acid, valproic acid, cyanocobalamin, and folic acid can also modulate the honey bee's lifespan. Furthermore, by employing a diversity of honey bee workers of similar chronological age, we quantified levels of 5mC, 5hmC, 5fC, and 5caC in brain and abdominal tissue, identifying higher levels of 5hmC in the fat body than in the brain. However, 5fC and 5caC were not detected, meaning that these modifications, if at all present, are below the detection limits of our assay. This thesis adds to the growing understanding of DNA methylation, possible external influencers, and its oxidative derivatives in honey bee workers.

Intragen DNA-metylering er utbredt i både dyre- og planteriket. Dets tilstedeværelse i eksoner antas å være dynamisk og å regulere uttrykk av alternative spleisede genvarianter. I tillegg går man ut ifra at de relativ nylig oppdagede enzymatisk oksiderte formene av 5mC, som 5fC, 5caC og 5hmC deltar i aktiv demetylering. Men deres rolle i denne prosessen er uavklart. Genkroppmetylering kan bli påvirket av bioaktive matforbindelser, en klasse ikkemakromolekylære stoffer som hovedsakelig er plantederiverte. Etanol, et allsidig løsemiddel for mange bioaktive matforbindelser, er et av de mest skadelige stoff som blir misbrukt i Europa og er en ledende dødsårsak i USA. Effekten av kronisk etanolinntak på genkroppmnetylerig har stort sett ikke blitt studert. Ved å bruke honningbien som modellorganisme vil denne avhandlingen undersøke effektene av bioaktive matforbindelser og etanol på overlevelse og intragen DNA-metylering. I tillegg, ved å inkludere de enzymatisk oksiderte 5mC derivatene søker denne avhandlingen å utvide forståelsen av invertebrat DNA-metylering i en generell og sosial kontekst. Honningbier er en god modell for å studere intragen metylering da DNA-metylering er stort sett begrenset til genkropper, i motsetning til pattedyr hvor hoveddelen av DNA-metylering er lokalisert til promotere og repeterte elementer. Mine funn indikerer at genkroppmetylering kan bli påvirket eksternt av bioaktive matforbindelser. Mer spesifikt kan etanol indusere skade til overlevelse og DNA-metylering, men disse forandringene blir blokkert av kurkumin, hovedkomponenten isolert fra rhizomet av gurkemeie. Disse DNA-metyleringsforandringene var til stede i gener involvert i fertilitet, temperaturregulering og tubulintransport. Videre indikerer mine data at isovalerinsyre, cyanokobalamin og folsyre også kan endre honningbiens levelengde. Videre, ved å benytte en mengde forskjellige honningbiearbeidere med samme kronologiske alder kvantifiserte vi nivåer av 5mC, 5hmC, 5fC og 5caC i hjerne- og abdominalvev, og identifiserte høyere nivåer av 5hmC i abdominalvev enn i hjerne. 5fC og 5caC ble ikke oppdaget, noe som indikerer at disse modifikasjonene, hvis til stede overhodet, er under deteksjonsnivået på vårt assay. Hovedmålet med denne avhandlingen er å gi enn bredere forståelse av DNA-metylering, mulige eksterne påvirkere, og det oksidative derivater i honningbie-arbeidere.