In utero green space exposure, DNA methylation, and birth size metrics

Abstract

[eng] An increasing body of evidence has established health benefits of exposure to green space. Notably, in utero exposure to green space has been linked to a reduced risk of adverse birth outcomes, such as low birth weight (LBW), a critical indicator of long-term heath throughout the life-course. Despite these associations, the biological mechanisms underlying the benefits of green space remain unclear, with epigenetic changes emerging as a potential explanation. The aim of this thesis was to investigate the epigenetic mechanisms, focusing on DNA methylation (DNAm) patterns, associated with green space exposure and birth size metrics. First, we examined the association between green space exposure and DNAm through epigenome-wide association studies (EWAS), focused on two tissue types: blood and placenta. In blood, we analyzed two exposure windows using data from eight European birth cohorts with a total of 2,988 newborns and 1,849 children. After multiple-testing correction, in utero greenness exposure was associated with three differentially methylated regions (DMRs) in cord blood. These regions encompass the SLC6A12, ADAMTS2, and KCNQ1DN genes, with the latter two previously reported in the literature in relation to green space exposure. These genes regulate extracellular matrix organization, blood vessel development, cell growth inhibition, and TGF-beta receptor signaling. The cumulative exposure to greenness from conception to childhood was associated with one DMR in the SDK1 gene, related to immune regulation and neural development. None of the exposure windows was associated with individual differentially methylated positions (DMPs). In the placenta, data from 550 mother-child pairs from the Barcelona Life Study Cohort (BiSC) revealed a significant association between residential greenness and DNAm levels at a DMP located in the SLC25A10 gene. This gene is linked to metabolic processes and body mass index (BMI). Additional suggestive DMPs were identified, related to pathways involving glucocorticoid signaling, inflammatory responses, and oxidative stress. No DMRs were detected after adjusting for multiple testing and additional checks. Second, we explored the association between placental DNAm and birth size metrics, including birth weight (BW), birth length (BL), birth weight-for-length (WLR), and head circumference (HC) in 3,852 neonates from 16 international cohorts. DNAm at 1,106 CpGs was associated with at least one of the birth size metrics, with 1,000 of them being associated with BW. Through positional annotation, promoter-enhancer interactions, and expression quantitative trait methylations (eQTMs), key pathways for placental function and fetal growth were identified, including glucose metabolism, growth and hormonal signaling, immune regulation, vascularization, and hypoxia, as well as enrichment for certain placental transcription factors (TFs). Moreover, sex specific differences in DNAm patterns related to BW were observed, with nine female specific and 38 male-specific DMPs. Additionally, the comparison of the findings with those previously reported for cord blood indicated tissue-specific effects. Furthermore, we identified seven cell-dependent DMPs. The genetic contribution was also assessed, revealing that approximately 20% of the DMPs were influenced by fetal methylation quantitative trait loci acting in cis (cis-mQTLs). To infer causality between the DNAm and BW, bi-directional Mendelian randomization (MR) analyses were conducted, suggesting that DNAm at nine DMPs might affect BW, though further studies are needed to exclude horizontal pleiotropy. Potential causal CpGs were annotated to genes associated with placental development and function as well as obstetric complications (RASSF1, SEMA3F, SIK3, SLC2A4RG). Finally, we investigated whether placental DNAm markers could underlie the association between in utero exposure to green space and BW by applying the meet-in-middle approach. We observed that 37 out of the 1,000 BW-associated DMPs had consistent associations with green space exposure, suggesting a potential mediating role. Experimental or interventional studies are necessary to confirm causality. In summary, this thesis, through international multi-cohort studies, has elucidated placental epigenetic mechanisms involved in fetal growth. It also has pointed to biological pathways that aligned with benefits of green space, such as mental restoration and physical activity. Results, however, should be interpreted cautiously, and future research with more precise exposure assessments, cellular models, and interventional designs will be essential to fully confirm these findings.

[cat] Cada vegada hi ha més evidències sobre els beneficis per a la salut de l'exposició a espais verds. Per exemple, s’ha vist que l'exposició intrauterina a espais verds disminueix el risc de néixer amb un baix pes, cosa que afavoreix la salut perinatal i també al llarg de la vida. Malgrat això, els mecanismes biològics a través dels quals els espais verds beneficien la salut romanen poc clars, sent els canvis epigenètics una possible explicació. L'objectiu d'aquesta tesi ha estat investigar els mecanismes epigenètics associats amb l'exposició a espais verds i amb diverses mesures antropomètriques al naixement. En primer lloc, vam examinar l'associació entre l'exposició a espais verds i la metilació de l’ADN mitjançant estudis d'associació epigenòmica al llarg del genoma en dos tipus de teixits: sang i placenta. En sang, vam analitzar dues finestres d'exposició utilitzant dades de vuit cohorts de naixement europees amb un total de 2.988 nounats i 1.849 infants. Després d’ajustar per comparacions múltiples, l'exposició a espais verds durant la gestació es va associar a tres regions diferencialment metilades (DMRs) en sang de cordó umbilical, anotades als gens SLC6A12, ADAMTS2 i KCNQ1DN, els dos darrers prèviament relacionats amb els espais verds. Aquests gens regulen l'organització de la matriu extracel·lular, el desenvolupament dels vasos sanguinis, la inhibició del creixement cel·lular i la senyalització a través del receptor TGF-beta. D’altra banda, l’exposició acumulada a espais verds des de la concepció fins a la infància es va associar amb una DMR anotada al gen SDK1, relacionat amb la regulació immunitària i el desenvolupament neuronal. Cap dels dos períodes va mostrar associacions en posicions puntuals del genoma (DMP). Pel que fa a la placenta, les dades de 550 parelles mare-fill de l’estudi Barcelona Life Study Cohort (BiSC) van revelar una associació significativa entre la verdor a la residència materna durant la gestació i una DMP anotada al gen SLC25A10, relacionat amb processos metabòlics i amb l'índex de massa corporal. A més, amb un nivell de significació estadística més flexible, es van identificar altres DMPs anotades a gens implicats en la senyalització per glucocorticoides, la inflamació i l’estrès oxidatiu. No es van detectar DMRs després d'ajustar per comparacions múltiples i controls addicionals. En segon lloc, vam explorar l'associació entre la metilació de l’ADN en la placenta i diverses mesures antropomètriques en néixer (el pes, la longitud, el pes en relació amb la longitud i la circumferència cranial) en 3.852 nounats de 16 cohorts internacionals. La metilació l’ADN de 1.106 CpGs es va associar com a mínim amb una de les mesures antropomètriques, i en concret el pes al néixer amb 1,000 CpGs. A través de l'anotació posicional, interaccions promotor-potenciador i la correlació entre la metilació i l’expressió gènica (eQTMs), es van identificar vies clau per la funció placentària i el creixement fetal, incloent-hi el metabolisme de la glucosa, la senyalització hormonal i per factors de creixement, la regulació immunitària, la vascularització i la hipòxia, així com un enriquiment per a certs factors de transcripció claus en la placenta. També es van observar diferències específiques de sexe en els patrons de metilació del DNA en relació al pes en néixer, amb nou DMPs específiques en nenes i 38 en nens. A més, la comparació dels resultats amb aquells publicats anteriorment en sang del cordó va indicar patrons de metilació de l’ADN específics de teixit i també es van identificar set DMPs dependents del tipus cel·lular placentari. Seguidament, es va avaluar la contribució genètica, revelant que aproximadament un 20% dels DMPs estaven influïts per variants genètiques del nadó pròximes als DMPs (cis-mQTLs). Per inferir causalitat entre la metilació de l’ADN i el pes en néixer, es van realitzar anàlisis de randomització Mendeliana bidireccional, els quals van suggerir que la metilació de l’ADN en nou dels DMPs podria afectar el pes en néixer, tot i que calen més estudis per excloure completament la pleiotropia horitzontal. Els CpGs potencialment causals es van anotar a gens associats amb el desenvolupament i la funció de la placenta, així com amb certes complicacions obstètriques (RASSF1, SEMA3F, SIK3, SLC2A4RG). Finalment, vam investigar si els marcadors de metilació de l’ADN de la placenta podien explicar l'associació entre l'exposició a espais verds durant la gestació i el pes en néixer per mitjà del mètode “meet-in-the-middle”. Vam observar que 37 dels 1.000 DMPs associats amb el pes en néixer mostraven una associació consistent amb l'exposició a espais verds, suggerint que podien tenir un paper mediador. Tot i això, calen estudis experimentals o d’intervenció per confirmar-ne la causalitat. En resum, aquesta tesi, a través d’estudis internacionals multicèntrics, ha identificat mecanismes epigenètics en la placenta involucrats en el creixement fetal. També, ha apuntat algunes vies que s’alineen amb els beneficis dels espais verds, com ara la restauració mental i l'activitat física. Els resultats, però, s’han d’interpretar amb precaució, i futures investigacions amb una avaluació de l'exposició més precisa, estudis en models cel·lulars, i dissenys d’intervenció són essencials per confirmar aquestes troballes.