Major depression (MD) is a debilitating mental health condition with peak prevalence occurring early in life. Genome-wide examination of DNA methylation (DNAm) offers an attractive complement to studies of allelic risk given it can reflect the combined influence of genes and environment. The current study used monozygotic twins to identify differentially and variably methylated regions of the genome that distinguish twins with and without a lifetime history of early-onset MD. The sample included 150 Caucasian monozygotic twins between the ages of 15 and 20 (73% female; Mage = 17.52 SD = 1.28) who were assessed during a developmental stage characterized by relatively distinct neurophysiological changes. All twins were generally healthy and currently free of medications with psychotropic effects. DNAm was measured in peripheral blood cells using the Infinium Human BeadChip 450 K Array. MD associations with early-onset MD were detected at 760 differentially and variably methylated probes/regions that mapped to 428 genes. Genes and genomic regions involved neural circuitry formation, projection, functioning, and plasticity. Gene enrichment analyses implicated genes related to neuron structures and neurodevelopmental processes including cell-cell adhesion genes (e.g., PCDHA genes). Genes previously implicated in mood and psychiatric disorders as well as chronic stress (e.g., NRG3) also were identified. DNAm regions associated with early-onset MD were found to overlap genetic loci identified in the latest Psychiatric Genomics Consortium meta-analysis of depression. Understanding the time course of epigenetic influences during emerging adulthood may clarify developmental phases where changes in the DNA methylome may modulate individual differences in MD risk.

Major depression (MD) is a debilitating mental health condition with peak prevalence occurring early in life. Genome-wide examination of DNA methylation (DNAm) offers an attractive complement to studies of allelic risk given it can reflect the combined influence of genes and environment. The current study used a co-twin control design to identify differentially and variably methylated regions of the genome that distinguish monozygotic (MZ) twins with and without a lifetime history of early-onset MD. The sample included 150 Caucasian monozygotic twins (73% female; Mage=17.52 SD=1.28) assessed during a developmental stage characterized by relatively distinct neurophysiological changes. All twins were generally healthy and currently free of medications with psychotropic effects. DNAm was measured in peripheral blood cells using the Infinium Human BeadChip 450K Array. MD associations were detected at 760 differentially and variably methylated probes/regions that mapped to 428 genes. Gene enrichment analyses implicated genes related to neuron structures and neurodevelopmental processes including cell-cell adhesion genes (e.g., CDHs, PCDHAs, PCDHA1C/2C). Genes previously implicated in mood and psychiatric disorders as well as chronic stress (e.g., HDAC4, NRG1) also were identified. Results indicated an association between early-onset MD and many genes and genomic regions involved in neural circuitry formation, projection, functioning, and plasticity. DNAm regions associated with MD where found to overlap genetic loci observed in the latest Psychiatric Genomics Consortium meta-analysis of depression. Understanding the time course of epigenetic influences during emerging adulthood may clarify developmental phases where genes modulate individual differences in MD risk.

Background: Perinatal depressive symptoms have been linked to adverse maternal and infant health outcomes. The etiology associated with perinatal depressive psychopathology is poorly understood, but accumulating evidence suggests that understanding inter-individual differences in DNA methylation (DNAm) patterning may provide insight regarding the genomic regions salient to the risk liability of perinatal depressive psychopathology. Results: Genome-wide DNAm was measured in maternal peripheral blood using the Infinium MethylationEPIC microarray. Ninety-two participants (46% African-American) had DNAm samples that passed all quality control metrics, and all participants were within seven months of delivery. Linear models were constructed to identify differentially methylated sites and regions, and permutation testing was utilized to assess significance. Differentially methylated regions (DMRs) were defined as genomic regions of consistent DNAm change with at least two probes within 1kb of each other. Maternal age, current smoking status, estimated cell-type proportions, ancestry-relevant principal components, days since delivery, and chip position served as covariates to adjust for technical and biological factors. Current postpartum depressive symptoms were measured using the Edinburgh Postnatal Depression Scale. Ninety-eight DMRs were significant (False Discovery Rate < 5%) and overlapped 92 genes. Synaptic signaling, neural development, and platelet formation were the most represented biological processes in gene set analysis, and comparison to the 44 loci discovered in the latest Psychiatric Genomics Consortium meta-analysis of depression revealed 3 overlapping regions and significant enrichment (p<0.03). Conclusions: Many of the genes identified in this analysis corroborate previous allelic, transcriptomic, and DNAm association results related to depressive phenotypes. Future work should integrate data from multi-omic platforms to understand the functional relevance of these DMRs and refine DNAm association results by limiting phenotypic heterogeneity and clarifying if DNAm differences relate to the timing of onset, severity, duration of perinatal mental health outcomes of the current pregnancy or to previous history of depressive psychopathology.

Background: DNA methylation is highly sensitive to in utero perturbations and has an established role in both embryonic development and regulation of gene expression. The fetal genetic component has been previously shown to contribute significantly to the timing of birth, yet little is known about the identity and behavior of individual genes. Objectives: The aim of this study was to test the extent genome-wide DNA methylation levels in umbilical cord blood were associated with gestational age at birth (GA). Findings were validated in an independent sample and evidence for the regulation of gene expression was evaluated for cis gene relationships in matched specimens. Results: Genome-wide DNA methylation, measured by the Illumina Infinium Human Methylation 450K BeadChip, was associated with GA for 2,372 CpG probes (5% false discovery rate) in both the Pregnancy, Race, Environment, Genes (PREG - Virginia Commonwealth University) and Newborn Epigenetic Study (NEST - Duke University) cohorts. Significant probes mapped to 1,640 characterized genes and an association with nearby gene expression measures obtained by the Affymetrix HG-133A microarray was found for 11 genes. Differentially methylated positions were enriched for actively transcribed and enhancer chromatin states, were predominately located outside of CpG islands, and mapped to genes enriched for inflammation and innate immunity ontologies. In both PREG and NEST, the first principal component derived from these probes explained approximately one-half (58.1% and 47.8%, respectively) of the variation in GA. This assessment provides a strong evidence to support the importance of DNAm change throughout the gestational time period. Conclusions: These results converge on support for the role of variation in DNAm measures as an important genetic regulatory mechanism contributing to inter-individual differences in gestational age at birth. In particular, the pathways described are consistent with the well-known hypothesis of pathogen detection and response by the immune system to elicit premature labor as a consequence of unscheduled inflammation.

A bstract Maternal age is an established predictor of preterm birth independent of other recognized risk factors. The use of chronological age makes the assumption that individuals age at a similar rate. Therefore, it does not capture interindividual differences that may exist due to genetic background and environmental exposures. As a result, there is a need to identify biomarkers that more closely index the rate of cellular aging. One potential candidate is biological age (BA) estimated by the DNA methylome. This study investigated whether maternal BA, estimated in either early and/or late pregnancy, predicts gestational age at birth. BA was estimated from a genome-wide DNA methylation platform using the Horvath algorithm. Linear regression methods assessed the relationship between BA and pregnancy outcomes, including gestational age at birth and perceived stress during pregnancy, in a primary and replication cohort. Prenatal BA estimates from early pregnancy explained variance in gestational age at birth above and beyond the influence of other recognized preterm birth risk factors. Sensitivity analyses indicated that this signal was driven primarily by self-identified African American participants. This predictive relationship was sensitive to small variations in the BA estimation algorithm. Benefits and limitations of using BA in translational research and clinical applications for preterm birth are considered.

A bstract Epigenome-wide association studies (EWAS) aim to provide evidence that marks of DNA methylation (DNAm) have downstream consequences that can result in the development of human diseases. Although these methods have been successful in identifying DNAm patterns associated with disease states, any further characterization of etiologic mechanisms underlying disease remains elusive. This knowledge gap does not originate from a lack of DNAm-trait associations, but rather stems from study design issues that affect the interpretability of EWAS results. Despite known limitations in predicting the function of a particular CpG site, most EWAS maintain the broad assumption that altered DNAm results in a concomitant change of transcription at the most proximal gene. This study integrated DNAm and gene expression (GE) measurements in two cohorts, the Adolescent and Young Adult Twin Study (AYATS) and the Pregnancy, Race, Environment, Genes (PREG) study, to improve the understanding of epigenomic regulatory mechanisms. CpG sites associated with GE in cis were enriched in areas of transcription factor binding and areas of intermediate-to-low CpG density. CpG sites associated with trans GE were also enriched in areas of known regulatory significance, including enhancer regions. These results highlight issues with restricting DNAm-transcript annotations to small genomic intervals and question the validity of assuming a canonical cis DNAm-GE pathway. Based on these findings, the interpretation of EWAS results is limited in studies without multi-omic support and further research should identify genomic regions in which GE-associated DNAm is overrepresented.