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カリフォルニア州中央バレーにおける環境ピレスロイド系農薬暴露のエピゲノムワイド関連研究
An epigenome-wide association study of ambient pyrethroid pesticide exposures in California's central valley.
PMID: 32679516 DOI: 10.1016/j.ijheh.2020.113569.
抄録
背景:
ピレスロイド系農薬の使用は世界的に増加しているが、関連する健康影響の全範囲は不明である。探索的経路分析によるエピゲノムワイド関連研究（EWAS）は、潜在的なピレスロイド関連の健康影響を特定するのに役立つかもしれない。
BACKGROUND: Pyrethroid pesticide use is increasing worldwide, although the full extent of associated health effects is unknown. An epigenome-wide association study (EWAS) with exploratory pathway analysis may help identify potential pyrethroid-related health effects.
方法:
カリフォルニア州セントラルバレーのパーキンソン環境と遺伝子研究（N=237）の対照者の血液を用いて、慢性的なピレスロイド環境曝露の探索的EWASを行った。過去5年間の農業用ピレスロイド農薬散布の近くに住んでいることと働いていることの関連を推定し（バイナリ）、部位特異的差異メチル化との関連を推定し、有意性については偽発見率（FDR）カットオフ0.05を使用した。年齢、性別、教育、細胞数、ヒスパニック系民族の先祖マーカーをコントロールした。β-Mixture Quantile（BMIQ）正規化を用いてタイプI/IIプローブの偏りについてメチル化値を正規化し、交差反応性プローブをフィルタリングし、サロゲート変数分析（SVA）を用いて残りの偏りについて評価した。また、BMIQ法とGenomeStudioの正規化法におけるトップヒットの効果推定値とp値の変化を比較し、細胞数を制御してタイプI/IIプローブのバイアスを正規化した場合の効果を評価しました。より広い解釈を容易にするために、CpG部位に遺伝子をアノテーションし、ピレスロイドに関連するCpG部位にアノテーションされた遺伝子を用いて、生のp<0.05で遺伝子セットの過剰発現解析を行い、チップ上のCpG部位のバックグラウンド表現をコントロールしました。症例数が多い場合には、その症例数が少ない場合があります。これらの遺伝子セットの過剰発現解析には、遺伝子セットの有意性について0.05のFDRカットオフを使用した。
METHODS: We performed an exploratory EWAS of chronic ambient pyrethroid exposure using control participants' blood in the Parkinson's Environment and Genes Study in the Central Valley of California (N = 237). We estimated associations of living and working near agricultural pyrethroid pesticide applications in the past 5 years (binary) with site-specific differential methylation, and used a false discovery rate (FDR) cut off of 0.05 for significance. We controlled for age, sex, education, cell count, and an ancestral marker for Hispanic ethnicity. We normalized methylation values for Type I/II probe bias using Beta-Mixture Quantile (BMIQ) normalization, filtered out cross-reactive probes, and evaluated for remaining bias with Surrogate Variable Analysis (SVA). We also evaluated the effects of controlling for cell count and normalizing for Type I/II probe bias by comparing changes in effect estimates and p-values for the top hits across BMIQ and GenomeStudio normalization methods, and controlling for cell count. To facilitate broader interpretation, we annotated genes to the CpG sites and performed gene set overrepresentation analysis, using genes annotated to CpG sites that were associated with pyrethroids at a raw p < 0.05, and controlling for background representation of CpG sites on the chip. We did this for both a biological process context (Gene Ontology terms) using missMethyl, and a disease set context using WebGestalt. For these gene set overrepresentation analyses we also used an FDR cut off of 0.05 for significance of gene sets.
結果:
細胞数をコントロールし、BMIQ法による正規化を適用した後、4つのCpG部位がピレスロイド曝露に関連して異なるメチル化を受けた。GenomeStudioのIllumina正規化を使用した場合、415のCpG部位が異なるメチル化を受けており、BMIQ法で同定された4つの部位はすべて含まれていた。遺伝子セットの過剰発現解析では、BMIQ法による正規化を用いて6つのGO用語を同定し、Illumina法による正規化を用いて76つのGO用語を同定したが、これにはBMIQ法で同定した6つを含む。疾患セットについては、アルツハイマー病、白血病、その他いくつかの癌、糖尿病、先天性欠損症、その他の疾患のシグナルを、正規化法と正規化法の両方で同定した。細胞数をコントロールした後の効果推定値の変化は最小限であり、細胞数をコントロールすることで一般的にp値は弱くなりました。しかし、BMIQの正規化では、ベータ係数が異なり、p値が弱くなった。
RESULTS: After controlling for cell count and applying BMIQ normalization, 4 CpG sites were differentially methylated in relation to pyrethroid exposures. When using GenomeStudio's Illumina normalization, 415 CpG sites were differentially methylated, including all four identified with the BMIQ method. In the gene set overrepresentation analyses, we identified 6 GO terms using BMIQ normalization, and 76 using Illumina normalization, including the 6 identified by BMIQ. For disease sets, we identified signals for Alzheimer's disease, leukemia and several other cancers, diabetes, birth defects, and other diseases, for both normalization methods. We identified minimal changes in effect estimates after controlling for cell count, and controlling for cell count generally weakened p-values. BMIQ normalization, however, resulted in different beta coefficients and weakened p-values.
結論:
慢性ピレスロイド慢性環境曝露はCpG部位のメチル化の違いと関連しており、先行研究と一致した様々な疾患状態や生物学的メカニズムにアノテーションを与えるものである。しかし、このEWASは、今後の調査のためにいくつかの新規疾患を示唆しており、関連性を特定するためのさまざまなバックグラウンド正規化手法の相対的な重要性を強調している。
CONCLUSIONS: Chronic ambient pyrethroid exposure is associated with differential methylation at CpG sites that annotate to a wide variety of disease states and biological mechanisms that align with prior research. However, this EWAS also implicates several novel diseases for future investigation, and highlights the relative importance of different background normalization methods in identifying associations.
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