DNA methylation profile and expression of the phyllagrin gene in patients with atopic dermatitis: case-control study

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Atopic dermatitis (AD) is one of the most common inflammatory skin diseases, affecting up to 20.0% of children and 2.0–8.0% of adults worldwide. Patients with atopic dermatitis usually have dry skin and itching, they are at higher risk of developing asthma, as well as allergic rhinitis. Features of the clinical course of AD are associated with both interaction of genes and influence of environmental factors. Studying epigenetic mechanisms could provide understanding of the most likely mechanisms by which environmental factors influence gene expression and contribute to the development of AD. The aim of the study is to conduct a comprehensive molecular genetic analysis (assessment of the level of global DNA methylation and expression of the filaggrin gene (FLG) in patients with moderate to severe AD. Material and methods: The case-control study was conducted from January 2022, through June 2022. A total of 32 patients with AD and 6 healthy volunteers were recruited. The level of global DNA methylation in the blood of patients with AD and healthy individuals was assessed. The FLG expression was measured by polymerase chain reaction in the leukocyte fraction of blood. A three-stage cycle is used during PCR. To determine the expression level of the FLG gene, total RNA was isolated, followed by a reverse transcription, amplification, and detection reaction.

Results. A hypermethylation of the genome in patients with AD is 2.3 times higher than the methylation of genome in controls (p = 0.003),it was also found that the expression level of the FLG gene (exon 3, position 7–8, and exon 1) in the leukocyte fraction of blood in patients with AD did not significantly differ from the control group (p = 0.41).

Conclusion. The current study found that the epigenome of AD patients differs from healthy individuals. The study of pathogenetic mechanisms is the basis for the development of new methods of targeted therapy for this socially significant dermatosis.

About the authors

Svetlana B. Antonova

Ural State Medical University; Sverdlovsky Regional Skin and Venereological Dispensary

Author for correspondence.
Email: ant-sveta13@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5989-1333
SPIN-code: 1042-8973
Scopus Author ID: 57200300072
ResearcherId: Q-3937-2018
https://usma.ru/chairs/kozhnyx-i-venericheskix-boleznej/sotrudniki/

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

Marina A. Ufimtseva

Ural State Medical University; Sverdlovsky Regional Skin and Venereological Dispensary

Email: mail-m@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4335-9334
SPIN-code: 4753-7210
Scopus Author ID: 57193907271
ResearcherId: B-5916-2018
https://usma.ru/chairs/kozhnyx-i-venericheskix-boleznej/

MD Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

Oleg G. Makeev

Ural State Medical University; Institute of Medical Cell Technologies

Email: larim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6819-3185
SPIN-code: 9604-8746
Scopus Author ID: 35280158600
ResearcherId: G-5511-2017
https://usma.ru/chairs/medicinskoj-biologii-i-genetiki/

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

Maria A. Desyatova

Ural State Medical University

Email: mardesyatova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0640-5319
SPIN-code: 4741-2630
https://usma.ru/chairs/medicinskoj-biologii-i-genetiki/

Research Assistant

Russian Federation, Yekaterinburg

Ekaterina S. Mylnikova

Ural State Medical University; Sverdlovsky Regional Skin and Venereological Dispensary

Email: e.s.mylnikova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8620-4044
SPIN-code: 5101-0075
Scopus Author ID: 57222529229
https://usma.ru/chairs/kozhnyx-i-venericheskix-boleznej/sotrudniki/

Research Assistant

Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

Kristina I. Nikolaeva

Ural State Medical University; Sverdlovsky Regional Skin and Venereological Dispensary

Email: kris-nikol@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5879-2018
SPIN-code: 5428-7774
Scopus Author ID: 5720872191
https://usma.ru/chairs/kozhnyx-i-venericheskix-boleznej/sotrudniki/

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

Maria S. Efimova

Ural State Medical University

Email: msergeevna24@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3295-6686
SPIN-code: 1576-3776
Scopus Author ID: 57214898321
https://usma.ru/chairs/kozhnyx-i-venericheskix-boleznej/sotrudniki/

Research Assistant

Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Weidinger S, Beck LA, Bieber T, Kabashima K, Irvine AD. Atopic dermatitis. Nat Rev Dis Primers. 2018;4(1):1–20. doi: 10.1038/s41572-018-0001-z
  2. Wollenberg A, Szepietowski J, Taieb A, Ring J. Corrigendum: Consensus-based European guidelines for treatment of atopic eczema (atopic dermatitis) in adults and children: part I. J Eur Acad Dermatol Venereol. 2019;33(7):1436. doi: 10.1111/jdv.15719
  3. Silverberg JI. Atopic Dermatitis in Adults. Med Clin North Am. 2020;104(1):157–176. doi: 10.1016/j.mcna.2019.08.009
  4. Kim YJ, Yun SJ, Lee JB, Kim SJ, Won YH, Lee SC. Four Years Prospective Study of Natural History of Atopic Dermatitis Aged 7~8 Years at an Individual Level: A Community-Based Survey by Dermatologists’ Skin Examination in Childhood. Ann Dermatol. 2016;28(6):684–689. doi: 10.5021/ad.2016.28.6.684
  5. Tokura Y. Extrinsic and intrinsic types of atopic dermatitis. J Dermatol Sci. 2010;58(1):1–7. doi: 10.1016/j.jdermsci.2010.02.008
  6. Flohr C, Yeo L. Atopic dermatitis and the hygiene hypothesis revisited. Curr Probl Dermatol. 2011;41:1–34. doi: 10.1159/000323290
  7. Løset M, Brown SJ, Saunes M, Hveem K. Genetics of Atopic Dermatitis: From DNA Sequence to Clinical Relevance. Dermatology. 2019;235(5):355–364. doi: 10.1159/000500402
  8. Bonamonte D, Filoni A, Vestita M, Romita P, Foti C, Angelini G. The Role of the Environmental Risk Factors in the Pathogenesis and Clinical Outcome of Atopic Dermatitis. Biomed Res Int. 2019;2019:2450605. doi: 10.1155/2019/2450605
  9. Mu Z, Zhang J. The Role of Genetics, the Environment, and Epigenetics in Atopic Dermatitis. Adv Exp Med Biol. 2020;1253:107–140. doi: 10.1007/978-981-15-3449-2_4
  10. Totté JE, van der Feltz WT, Hennekam M, van Belkum A, van Zuuren EJ, Pasmans SG. Prevalence and odds of Staphylococcus aureus carriage in atopic dermatitis: a systematic review and meta-analysis. Br J Dermatol. 2016;175(4):687–695. doi: 10.1111/bjd.14566
  11. Martin MJ, Estravís M, García-Sánchez A, Dávila I, Isidoro-García M, Sanz C. Genetics and Epigenetics of Atopic Dermatitis: An Updated Systematic Review. Genes (Basel). 2020;11(4):442. doi: 10.3390/genes11040442
  12. Rebane A, Akdis CA. MicroRNAs: Essential players in the regulation of inflammation. J Allergy Clin Immunol. 2013;132(1):15–26. doi: 10.1016/j.jaci.2013.04.011
  13. Nedoszytko B, Sokołowska-Wojdyło M, Ruckemann-Dziurdzińska K, Roszkiewicz J, Nowicki RJ. Chemokines and cytokines network in the pathogenesis of the inflammatory skin diseases: atopic dermatitis, psoriasis and skin mastocytosis. Postepy Dermatol Alergol. 2014;31(2):84–91. doi: 10.5114/pdia.2014.40920
  14. Weidinger S, Novak N. Atopic dermatitis. Lancet. 2016;387(10023):1109–1122. doi: 10.1016/S0140-6736(15)00149-X
  15. Samotij D, Nedoszytko B, Bartosińska J, Batycka-Baran A, Czajkowski R, Dobrucki IT, et al. Pathogenesis of psoriasis in the “omic” era. Part I. Epidemiology, clinical manifestation, immunological and neuroendocrine disturbances. Postepy Dermatol Alergol. 2020;37(2):135–153. doi: 10.5114/ada.2020.94832
  16. Hori S, Nomura T, Sakaguchi S. Control of regulatory T cell development by the transcription factor Foxp3. Science. 2003;299(5609):1057–1061. doi: 10.1126/science.1079490
  17. Балаболкин И.И., Булгакова В.А., Елисеева Т.И. Атопический дерматит у детей: иммунологические аспекты патогенеза и терапии. Педиатрия им. Г.Н. Сперанского. 2017;96(2):128–135. [Balabolkin II, Bulgakova VA, Eliseeva TI. Atopic dermatitis in children: immunologic aspects of pathogenesis and therapy. Pediatria n.a. G.N. Speransky. 2017;96(2):128–135. (In Russ.)]
  18. Nedoszytko B, Reszka E, Gutowska-Owsiak D, Trzeciak M, Lange M, Jarczak J, et al. Genetic and Epigenetic Aspects of Atopic Dermatitis. Int J Mol Sci. 2020;21(18):6484. doi: 10.3390/ijms21186484
  19. Макеев О.Г., Антонова С.Б., Уфимцева М.А., Ефимова М.С., Мыльникова Е.С., Коротков А.В., и др. Современные представления о патогенезе, клинико-иммунологических особенностях и новых методах лечения атопического дерматита. Казанский медицинский журнал. 2022;103(1):100–109. [Makeev OG, Antonova SB, Ufimtseva MA, Efimova MS, Mylnikova ES, Korotkov AV, et al. Modern vision of pathogenesis, clinical and immunological features and new methods of atopic dermatitis treatment. Kazan Medical Journal. 2022;103(1):100–109. (In Russ.)] doi: 10.17816/KMJ2022-100
  20. Tsuji G, Hashimoto-Hachiya A, Kiyomatsu-Oda M, Takemura M, Ohno F, Ito T, et al. Aryl hydrocarbon receptor activation restores filaggrin expression via OVOL1 in atopic dermatitis. Cell Death Dis. 2017;8(7):e2931. doi: 10.1038/cddis.2017.322
  21. Harb H, Renz H. Update on epigenetics in allergic disease. J Allergy Clin Immunol. 2015;135(1):15–24. doi: 10.1016/j.jaci.2014.11.009
  22. Kantor R, Silverberg JI. Environmental risk factors and their role in the management of atopic dermatitis. Expert Rev Clin Immunol. 2017;13(1):15–26. doi: 10.1080/1744666X.2016.1212660
  23. Bernstein BE, Meissner A, Lander ES. The mammalian epigenome. Cell. 2007;128(4):669–681. doi: 10.1016/j.cell.2007.01.033
  24. Liang Y, Chang C, Lu Q. The Genetics and Epigenetics of Atopic Dermatitis-Filaggrin and Other Polymorphisms. Clin Rev Allergy Immunol. 2016;51(3):315–328. doi: 10.1007/s12016-015-8508-5
  25. Han J, Park SG, Bae JB, Choi J, Lyu JM, Park SH, et al. The characteristics of genome-wide DNA methylation in naïve CD4+ T cells of patients with psoriasis or atopic dermatitis. Biochem Biophys Res Commun. 2012;422(1):157–163. doi: 10.1016/j.bbrc.2012.04.128
  26. Lee J, Jang A, Seo SJ, Myung SC. Epigenetic Regulation of Filaggrin Gene Expression in Human Epidermal Keratinocytes. Ann Dermatol. 2020;32(2):122–129. doi: 10.5021/ad.2020.32.2.122
  27. Rodríguez E, Baurecht H, Wahn AF, Kretschmer A, Hotze M, Zeilinger S, et al. An integrated epigenetic and transcriptomic analysis reveals distinct tissue-specific patterns of DNA methylation associated with atopic dermatitis. J Invest Dermatol. 2014;134(7):1873–1883. doi: 10.1038/jid.2014.87
  28. Аскандирова А.Б., Омарбаева Н.А., Абдрахманова А.Ж., Гончарова Т.Г., Оразгалиева М.Г., Әділбай Д.Г., и др. Роль эпигенетических исследований в диагностике и лечении рака молочной железы. Онкология и радиология Казахстана. 2019;52(2):39–44. [Askandirova AB, Omarbayeva NA, Abdrakhmanova AZ, Goncharova TG, Orazgalieva MG, Adylbai DG, et al. The role of epigenetic research in diagnostics and treatment of breast cancer. Oncology and radiology of Kazakhstan. 2019;52(2):39–44. (In Russ.)]
  29. Козлов В.А. Метилирование ДНК клетки и патология организма. Медицинская иммунология. 2008;10(4–5):307–318. [Kozlov VA. Methylation of cellular DNA and pathology of the organism. Medical Immunology (Russia). 2008;10(4–5):307–318. (In Russ.)] doi: 10.15789/1563-0625-2008-4-5-307-318
  30. Acevedo N, Benfeitas R, Katayama S, Bruhn S, Andersson A, Wikberg G, et al. Epigenetic alterations in skin homing CD4+CLA+ T cells of atopic dermatitis patients. Sci Rep. 2020;10(1):18020. doi: 10.1038/s41598-020-74798-z
  31. Thürmann L, Grützmann K, Klös M, Bieg M, Winter M, Polte T, et al. Early-onset childhood atopic dermatitis is related to NLRP2 repression. J Allergy Clin Immunol. 2018;141(4):1482–1485.e16. doi: 10.1016/j.jaci.2017.11.018
  32. Olisova OY, Kochergin NG, Kayumova LN, Zavarykina TM, Dmitriev AA, Asanov AY. Skin DNA methylation profile in atopic dermatitis patients: A case-control study. Exp Dermatol. 2020;29(2):184–189. doi: 10.1111/exd.14064
  33. Быстрицкая Е.П., Мурашкин Н.Н., Материкин А.И., Наумова Е.А., Свитич О.А. Полногеномный профиль метилирования ДНК и экспрессия генов TLR2, TLR9, IL4, IL13 при атопическом дерматите у детей и подростков. Иммунология. 2022;43(3):255–265. [Bystritskaya EP, Murashkin NN, Materikin AI, Naumova EA, Svitich OA. Genome-wide DNA methylation profile and expression of TLR2, TLR9, IL4, IL13 genes in pediatric patients with atopic dermatitis. Immunologiya. 2022;43(3):255–265. (In Russ.)] doi: 10.33029/0206-4952-2022-43-3-255-265
  34. Lee DU, Agarwal S, Rao A. Th2 lineage commitment and efficient IL-4 production involves extended demethylation of the IL-4 gene. Immunity. 2002;16(5):649–660. doi: 10.1016/s1074-7613(02)00314-x
  35. Jones B, Chen J. Inhibition of IFN-gamma transcription by site-specific methylation during T helper cell development. EMBO J. 2006;25(11):2443–2452. doi: 10.1038/sj.emboj.7601148
  36. Potaczek DP, Harb H, Michel S, Alhamwe BA, Renz H, Tost J. Epigenetics and allergy: from basic mechanisms to clinical applications. Epigenomics. 2017;9(4):539–571. doi: 10.2217/epi-2016-0162
  37. Botchkarev VA, Gdula MR, Mardaryev AN, Sharov AA, Fessing MY. Epigenetic regulation of gene expression in keratinocytes. J Invest Dermatol. 2012;132(11):2505–2521. doi: 10.1038/jid.2012.182
  38. Nedoszytko B, Sokołowska-Wojdyło M, Renke J, Lange M, Trzonkowski P, Sobjanek M, et al. The role of regulatory T cells and genes involved in their differentiation in pathogenesis of selected inflammatory and neoplastic skin diseases. Part III: Polymorphisms of genes involved in Tregs’ activation and function. Postepy Dermatol Alergol. 2017;34(6):517–525. doi: 10.5114/pdia.2017.67053
  39. Smith FJ, Irvine AD, Terron-Kwiatkowski A, Sandilands A, Campbell LE, Zhao Y, et al. Loss-of-function mutations in the gene encoding filaggrin cause ichthyosis vulgaris. Nat Genet. 2006;38(3):337–342. doi: 10.1038/ng1743
  40. Palmer CN, Irvine AD, Terron-Kwiatkowski A, Zhao Y, Liao H, Lee SP, et al. Common loss-of-function variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major predisposing factor for atopic dermatitis. Nat Genet. 2006;38(4):441–446. doi: 10.1038/ng1767
  41. Howell MD, Kim BE, Gao P, Grant AV, Boguniewicz M, Debenedetto A, et al. Cytokine modulation of atopic dermatitis filaggrin skin expression. J Allergy Clin Immunol. 2007;120(1):150–155. doi: 10.1016/j.jaci.2007.04.031
  42. Hamada T, Sandilands A, Fukuda S, Sakaguchi S, Ohyama B, Yasumoto S, et al. De novo occurrence of the filaggrin mutation p.R501X with prevalent mutation c.3321delA in a Japanese family with ichthyosis vulgaris complicated by atopic dermatitis. J Invest Dermatol. 2008;128(5):1323–1325. doi: 10.1038/sj.jid.5701164
  43. O’Regan GM, Sandilands A, McLean WHI, Irvine AD. Filaggrin in atopic dermatitis. J Allergy Clin Immunol. 2008;122(4):689–693. doi: 10.1016/j.jaci.2008.08.002
  44. Park J, Jekarl DW, Kim Y, Kim J, Kim M, Park YM. Novel FLG null mutations in Korean patients with atopic dermatitis and comparison of the mutational spectra in Asian populations. J Dermatol. 2015;42(9):867–873. doi: 10.1111/1346-8138.12935
  45. Cheng J, Wu JJ, Han G. Epidemiology and Characterization of Atopic Dermatitis in East Asian Populations: A Systematic Review. Dermatol Ther (Heidelb). 2021;11(3):707–717. doi: 10.1007/s13555-021-00516-w
  46. Ziyab AH, Karmaus W, Holloway JW, Zhang H, Ewart S, Arshad SH. DNA methylation of the filaggrin gene adds to the risk of eczema associated with loss-of-function variants. J Eur Acad Dermatol Venereol. 2013;27(3):e420–e423. doi: 10.1111/jdv.12000
  47. Rasheed Z, Zedan K, Saif GB, Salama RH, Salem T, Ahmed AA, et al. Markers of atopic dermatitis, allergic rhinitis and bronchial asthma in pediatric patients: correlation with filaggrin, eosinophil major basic protein and immunoglobulin E. Clin Mol Allergy. 2018;16:23. doi: 10.1186/s12948-018-0102-y
  48. Wu CJ, Yang CY, Chen YH, Chen CM, Chen LC, Kuo ML. The DNA methylation inhibitor 5-azacytidine increases regulatory T cells and alleviates airway inflammation in ovalbumin-sensitized mice. Int Arch Allergy Immunol. 2013;160(4):356–364. doi: 10.1159/000343030

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The level of methylation in the in the leukocyte fraction of blood of patients with atopic dermatitis in relation to the control group

Download (91KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The level of expression of the FLG gene in the leukocyte fraction of blood in patients with atopic dermatitis in relation to the control group

Download (89KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Antonova S.B., Ufimtseva M.A., Makeev O.G., Desyatova M.A., Mylnikova E.S., Nikolaeva K.I., Efimova M.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».