The Potential Regulatory Role of microRNA in Methamphetamine Use Disorder (MUD)
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Methamphetamine (MA) is a psychostimulant affecting the central nervous system. Individuals with
methamphetamine use disorder (MUD) present compulsive substance-seeking behaviour and
impaired control over use. Use of MA is associated with symptoms such as euphoria, hyperalertness
and impairments in executive function and working memory. MA is a common substance of abuse in
South Africa. MUD is a multifactorial psychiatric condition with its aetiology involving a complex
interplay between genes and environmental factors. Evidence suggests that mechanisms regulating
behavioural abnormalities associated with MUD involve changes in gene expression throughout the
brain’s reward circuitry. Genome-wide association studies (GWAS) have revealed genes that may be
involved in MUD. Additionally, a role has been established for epigenetic mechanisms, such as
miRNA, mediating the effects of MA on the brain. There is an increase in studies investigating
miRNA involvement in MUD. Considering links between environment, miRNA and neuropsychiatric
disorders and the overlap in the molecular pathways of these disorders, it is likely that these pathways
are regulated differently resulting in their differing clinical manifestations. Hence, this study aimed
to elucidate the role of miRNA-mediated regulation in MUD and further disentangle the molecular
underpinnings of MUD in a South African context. This was accomplished through a regression
analysis of data from a local cohort with a diagnosis of MUD before performing in silico analyses on
MUD data and a discovery cohort with cocaine use disorder (CUD); as both MA and cocaine are
classed as psychostimulants. The MUD cohort was genotyped and imputed before being used in a
regression analysis to identify single-nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with MUD.
Principle component analysis (PCA) was performed to investigate the effects of population
stratification on the outcome of this analysis. Subsequently, associated SNPs from the MUD and
CUD cohorts were investigated using in silico analyses to determine host genes for associated SNPs.
These genes were compared to identify those exclusive to the MUD cohort, and were subsequently
enriched to identify associated biological pathways and miRNA.
The regression analysis identified 510 SNPs approaching significant association (p<1x10-4) with
MUD. The genes identified in the MUD and CUD cohorts were compared, which led to the
identification of 57 genes exclusively associated with the MUD cohort. These genes were found to
be associated with several pathways involved in the aetiology of MUD such as autophagy and
apoptosis. The genes were also regulated by miRNA previously associated with MUD.
In conclusion, this study was able to identify several miRNA and genes trending towards significance.
These findings are consistent with the current literature on MUD and contribute to knowledge on the molecular underpinnings of MUD by highlighting differences between MUD and other stimulant use disorders. The findings identify an epigenetic component to MUD aetiology via miRNA and speak
to underlying regulatory networks involved in MUD aetiology. This is the first study investigating
the molecular underpinnings of MUD in a South African cohort, indicating the potential for use of
local populations to identify novel variants associated with miRNA-mediated regulation in MUD
aetiology.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Methamphetamine (MA) is 'n psigostimulant wat die sentrale senuweestelsel beïnvloed. Persone met metamfetamien-gebruiksversteuring (MUD) bied kompulsiewe gedrag op soek na middels en verswakte beheer oor gebruik. Die gebruik van MA word geassosieer met simptome soos euforie, hiperalertiteit en gestremdhede in die uitvoerende funksie en werkgeheue. MA is 'n algemene misbruik in Suid-Afrika. MUD is 'n multifaktoriale psigiatriese toestand met sy etiologie wat 'n komplekse wisselwerking tussen gene en omgewingsfaktore behels. Getuienis dui daarop dat meganismes wat gedrags abnormaliteite reguleer wat verband hou met die spysverteringskanaal, veranderings in geenuitdrukking deur die hele brein se beloningskringloop behels. Genoomwye assosiasiestudies (GWAS) het gene geopenbaar wat by MUD betrokke kan wees. Daarbenewens is 'n rol gevestig vir epigenetiese meganismes, soos miRNA, wat die effekte van MA op die brein bemiddel. Daar is 'n toename in studies wat miRNA-betrokkenheid by MUD ondersoek. Met inagneming van skakels tussen omgewings-, miRNA- en neuropsigiatriese afwykings en die oorvleueling in die molekulêre weë van hierdie afwykings, is dit waarskynlik dat hierdie weë anders gereguleer word, wat lei tot hul verskillende kliniese manifestasies. Daarom het hierdie studie ten doel gehad om die rol van miRNA-bemiddelde regulering in MUD toe te lig en die molekulêre onderbou van MUD in 'n Suid-Afrikaanse konteks verder te ontwrig. Dit is bewerkstellig deur 'n regressie-analise van data van 'n plaaslike kohort met 'n diagnose van MUD voordat dit in silicoanalises op MUD-data uitgevoer is en 'n ontdekkingskohort met kokaïengebruiksteuring (CUD); aangesien beide MA en kokaïen as psigostimulante geklassifiseer word. Die MUD-kohort is genotipeer en toegereken voordat dit in 'n regressie-analise gebruik is om enkel-nukleotied polimorfismes (SNP's) geassosieer met MUD te identifiseer. Beginselkomponentanalise (PCA) is uitgevoer om die gevolge van populasie-stratifikasie op die uitkoms van hierdie analise te ondersoek. Gevolglik is geassosieerde SNP's van die MUD- en CUD-kohorte ondersoek in silico-analises om gasheergenes vir geassosieerde SNP's te bepaal. Hierdie gene is vergelyk met die identifisering van dié wat eksklusief tot die MUD-kohort was, en is vervolgens verryk om gepaardgaande biologiese weë en miRNA te identifiseer. Die regressie-analise het 510 SNP's geïdentifiseer wat beduidende assosiasie (p <1x10-4) met MUD nader. Die gene wat in die MUD- en CUD-kohorte geïdentifiseer is, is vergelyk, wat gelei het tot die identifikasie van 57 gene wat eksklusief met die MUD-kohort verband hou. Daar is gevind dat hierdie gene geassosieer word met verskillende weë wat betrokke was by die etiologie van MUD, soos outofagie en apoptose. Die gene is ook gereguleer deur miRNA wat voorheen met MUD geassosieer is. Ten slotte kon hierdie studie verskillende miRNA en gene identifiseer wat na betekenisvolheid was. Hierdie bevindinge strook met die huidige literatuur oor MUD en dra by tot kennis oor die molekulêre onderbou van MUD deur die verskille tussen MUD en ander stimulantegebruiksversteurings uit te lig. Die bevindinge identifiseer 'n epigenetiese komponent vir MUD-etiologie via miRNA en spreek tot onderliggende regulatoriese netwerke wat betrokke is by MUD-etiologie. Dit is die eerste studie wat die molekulêre onderbou van MUD in 'n Suid-Afrikaanse kohort ondersoek het, wat 'n aanduiding is van die potensiaal vir die gebruik van plaaslike populasies om nuwe variante te identifiseer wat verband hou met miRNA-bemiddelde regulering in MUD-etiologie.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Methamphetamine (MA) is 'n psigostimulant wat die sentrale senuweestelsel beïnvloed. Persone met metamfetamien-gebruiksversteuring (MUD) bied kompulsiewe gedrag op soek na middels en verswakte beheer oor gebruik. Die gebruik van MA word geassosieer met simptome soos euforie, hiperalertiteit en gestremdhede in die uitvoerende funksie en werkgeheue. MA is 'n algemene misbruik in Suid-Afrika. MUD is 'n multifaktoriale psigiatriese toestand met sy etiologie wat 'n komplekse wisselwerking tussen gene en omgewingsfaktore behels. Getuienis dui daarop dat meganismes wat gedrags abnormaliteite reguleer wat verband hou met die spysverteringskanaal, veranderings in geenuitdrukking deur die hele brein se beloningskringloop behels. Genoomwye assosiasiestudies (GWAS) het gene geopenbaar wat by MUD betrokke kan wees. Daarbenewens is 'n rol gevestig vir epigenetiese meganismes, soos miRNA, wat die effekte van MA op die brein bemiddel. Daar is 'n toename in studies wat miRNA-betrokkenheid by MUD ondersoek. Met inagneming van skakels tussen omgewings-, miRNA- en neuropsigiatriese afwykings en die oorvleueling in die molekulêre weë van hierdie afwykings, is dit waarskynlik dat hierdie weë anders gereguleer word, wat lei tot hul verskillende kliniese manifestasies. Daarom het hierdie studie ten doel gehad om die rol van miRNA-bemiddelde regulering in MUD toe te lig en die molekulêre onderbou van MUD in 'n Suid-Afrikaanse konteks verder te ontwrig. Dit is bewerkstellig deur 'n regressie-analise van data van 'n plaaslike kohort met 'n diagnose van MUD voordat dit in silicoanalises op MUD-data uitgevoer is en 'n ontdekkingskohort met kokaïengebruiksteuring (CUD); aangesien beide MA en kokaïen as psigostimulante geklassifiseer word. Die MUD-kohort is genotipeer en toegereken voordat dit in 'n regressie-analise gebruik is om enkel-nukleotied polimorfismes (SNP's) geassosieer met MUD te identifiseer. Beginselkomponentanalise (PCA) is uitgevoer om die gevolge van populasie-stratifikasie op die uitkoms van hierdie analise te ondersoek. Gevolglik is geassosieerde SNP's van die MUD- en CUD-kohorte ondersoek in silico-analises om gasheergenes vir geassosieerde SNP's te bepaal. Hierdie gene is vergelyk met die identifisering van dié wat eksklusief tot die MUD-kohort was, en is vervolgens verryk om gepaardgaande biologiese weë en miRNA te identifiseer. Die regressie-analise het 510 SNP's geïdentifiseer wat beduidende assosiasie (p <1x10-4) met MUD nader. Die gene wat in die MUD- en CUD-kohorte geïdentifiseer is, is vergelyk, wat gelei het tot die identifikasie van 57 gene wat eksklusief met die MUD-kohort verband hou. Daar is gevind dat hierdie gene geassosieer word met verskillende weë wat betrokke was by die etiologie van MUD, soos outofagie en apoptose. Die gene is ook gereguleer deur miRNA wat voorheen met MUD geassosieer is. Ten slotte kon hierdie studie verskillende miRNA en gene identifiseer wat na betekenisvolheid was. Hierdie bevindinge strook met die huidige literatuur oor MUD en dra by tot kennis oor die molekulêre onderbou van MUD deur die verskille tussen MUD en ander stimulantegebruiksversteurings uit te lig. Die bevindinge identifiseer 'n epigenetiese komponent vir MUD-etiologie via miRNA en spreek tot onderliggende regulatoriese netwerke wat betrokke is by MUD-etiologie. Dit is die eerste studie wat die molekulêre onderbou van MUD in 'n Suid-Afrikaanse kohort ondersoek het, wat 'n aanduiding is van die potensiaal vir die gebruik van plaaslike populasies om nuwe variante te identifiseer wat verband hou met miRNA-bemiddelde regulering in MUD-etiologie.
Description
Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Genetics -- Technique, Psychiatry, MicroRNA, Methamphetamine, Methamphetamine abuse -- South Africa, Genotype-environment interaction, UCTD