Environmental constraints during early life result in phenotypic changes that can be associated with increased disease risk in later life. This suggests persistent alteration of gene transcription. DNA methylation, which is largely established in utero, provides a causal mechanism by which unbalanced prenatal nutrition results in such altered gene expression. We investigated the effect of unbalanced maternal nutrition on the methylation status and expression of the glucocorticoid receptor (GR) and peroxisomal proliferator-activated receptor (PPAR) genes in rat offspring after weaning. Dams were fed a control protein (C; 180 g/kg protein plus 1 mg/kg folic acid), restricted protein (R; 90 g/kg casein plus 1 mg/kg folic acid), or restricted protein plus 5 mg/kg folic acid (RF) diet throughout pregnancy. Pups were killed 6 d after weaning (n = 10 per group). Gene methylation was determined by methylation-sensitive PCR and mRNA expression by semiquantitative RT-PCR. PPARα gene methylation was 20.6% lower (P < 0.001) and expression 10.5-fold higher in R compared with C pups. GR gene methylation was 22.8% lower (P < 0.05) and expression 200% higher (P < 0.01) in R pups than in C pups. The RF diet prevented these changes. PPARγ methylation status and expression did not differ among the groups. Acyl-CoA oxidase expression followed that of PPARα. These results show that unbalanced prenatal nutrition induces persistent, gene-specific epigenetic changes that alter mRNA expression. Epigenetic regulation of gene transcription provides a strong candidate mechanism for fetal programming.

OBJECTIVE Fixed genomic variation explains only a small proportion of the risk of adiposity. In animal models, maternal diet alters offspring body composition, accompanied by epigenetic changes in metabolic control genes. Little is known about whether such processes operate in humans. RESEARCH DESIGN AND METHODS Using Sequenom MassARRAY we measured the methylation status of 68 CpGs 5′ from five candidate genes in umbilical cord tissue DNA from healthy neonates. Methylation varied greatly at particular CpGs: for 31 CpGs with median methylation ≥5% and a 5–95% range ≥10%, we related methylation status to maternal pregnancy diet and to child’s adiposity at age 9 years. Replication was sought in a second independent cohort. RESULTS In cohort 1, retinoid X receptor-α (RXRA) chr9:136355885+ and endothelial nitric oxide synthase (eNOS) chr7:150315553+ methylation had independent associations with sex-adjusted childhood fat mass (exponentiated regression coefficient [β] 17% per SD change in methylation [95% CI 4–31], P = 0.009, n = 64, and β = 20% [9–32], P &lt; 0.001, n = 66, respectively) and %fat mass (β = 10% [1–19], P = 0.023, n = 64 and β =12% [4–20], P = 0.002, n = 66, respectively). Regression analyses including sex and neonatal epigenetic marks explained &gt;25% of the variance in childhood adiposity. Higher methylation of RXRA chr9:136355885+, but not of eNOS chr7:150315553+, was associated with lower maternal carbohydrate intake in early pregnancy, previously linked with higher neonatal adiposity in this population. In cohort 2, cord eNOS chr7:150315553+ methylation showed no association with adiposity, but RXRA chr9:136355885+ methylation showed similar associations with fat mass and %fat mass (β = 6% [2–10] and β = 4% [1–7], respectively, both P = 0.002, n = 239). CONCLUSIONS Our findings suggest a substantial component of metabolic disease risk has a prenatal developmental basis. Perinatal epigenetic analysis may have utility in identifying individual vulnerability to later obesity and metabolic disease.

Objective Maternal undernutrition during gestation is associated with increased metabolic and cardiovascular disease in the offspring. We investigated whether these effects may persist in subsequent generations. Design Historical cohort study. Setting Interview during a clinic or home visit or by telephone. Population Men and women born in the Wilhelmina Gasthuis in Amsterdam between November 1943 and February 1947. Methods We interviewed cohort members (F1) born around the time of the 1944–45 Dutch famine, who were exposed or unexposed to famine in utero , about their offspring (F2). Main outcome measures Birthweight, birth length, ponderal index and health in later life (as reported by F1) of the offspring (F2) of 855 participating cohort members, according to F1 famine exposure in utero . Results F1 famine exposure in utero did not affect F2 ( n = 1496) birthweight, but, among the offspring of famine‐exposed F1 women, F2 birth length was decreased (−0.6 cm, P adjusted for F2 gender and birth order = 0.01) and F2 ponderal index was increased (+1.2 kg/m 3 , P adjusted for F2 gender and birth order = 0.001). The association remained unaltered after adjusting for possible confounders. The offspring of F1 women who were exposed to famine in utero also had poor health 1.8 (95% CI 1.1–2.7) times more frequently in later life (due to miscellaneous causes) than that of F1 unexposed women. Conclusions We did not find transgenerational effects of prenatal exposure to famine on birthweight nor on cardiovascular and metabolic disease rates. F1 famine exposure in utero was, however, associated with increased F2 neonatal adiposity and poor health in later life. Our findings may imply that the increase in chronic disease after famine exposure in utero is not limited to the F1 generation but persists in the F2 generation.

The importance of a single genotype being able to produce different phenotypes in different environments (phenotypic plasticity) is widely recognized in evolutionary theory and its adaptive significance is clear. In most cases, the developing organism responds to an environmental cue by producing a selectively and immediately appropriate phenotype. One subset of phenotypic responses to environmental stimuli, however, does not necessarily provide an immediate selective advantage. Rather, these kinds of responses, which we call 'predictive adaptive responses' (PARs), act primarily to improve fitness at a later stage of development. We argue that PARs have had an important role in human evolution, and that their recognition and interpretation has major significance for public health.

Prenatal nutritional constraint induces an altered metabolic phenotype in the offspring which in humans confers an increased risk of non-communicable disease. Feeding a protein-restricted (PR) diet to pregnant rats causes hypomethylation of specific gene promoters in the offspring and alters the phenotype. We investigated how altered epigenetic regulation of the hepatic glucocorticoid receptor (GR) 1 10 promoter is induced in the offspring. Rats were fed a control (180 g casein/kg) or a PR (90 g casein/kg) diet throughout pregnancy, and chow during lactation. Offspring were killed at postnatal day 34 ( n 5 per maternal dietary group). Methylation-sensitive PCR showed that GR1 10 promoter methylation was 33 % lower ( P < 0·001) and GR expression 84 % higher ( P < 0·05) in the PR offspring. Reverse transcription–PCR showed that DNA methyltransferase-1 (Dnmt1) expression was 17 % lower ( P < 0·05) in PR offspring, while Dnmt3a/b and methyl binding domain protein-2 expression was not altered. Thus hypomethylation of the GR1 10 promoter may result from lower capacity to methylate hemimethylated DNA during mitosis. Histone modifications which facilitate transcription were increased at the GR1 10 promoter (147–921 %, P < 0·001), while those that suppress methylation were decreased (54 %, P < 0·01) or similar to controls. In human umbilical cord ( n 15), there was a 2-fold difference between the highest and lowest level of GR1-C Total promoter methylation. Dnmt1, but not Dnmt3a, expression predicted 49 % ( P = 0·003) of the variation in GR1-C Total promoter methylation. These findings suggest that induction in the offspring of altered epigenetic regulation of the hepatic GR1 10 promoter, and hence metabolic phenotype, may be due to reduced Dnmt1 expression.

Background Perinatal mortality and morbidity continue to be major global health challenges strongly associated with prematurity and reduced fetal growth, an issue of further interest given the mounting evidence that fetal growth in general is linked to degrees of risk of common noncommunicable diseases in adulthood. Against this background, WHO made it a high priority to provide the present fetal growth charts for estimated fetal weight (EFW) and common ultrasound biometric measurements intended for worldwide use. Methods and Findings We conducted a multinational prospective observational longitudinal study of fetal growth in low-risk singleton pregnancies of women of high or middle socioeconomic status and without known environmental constraints on fetal growth. Centers in ten countries (Argentina, Brazil, Democratic Republic of the Congo, Denmark, Egypt, France, Germany, India, Norway, and Thailand) recruited participants who had reliable information on last menstrual period and gestational age confirmed by crown–rump length measured at 8–13 wk of gestation. Participants had anthropometric and nutritional assessments and seven scheduled ultrasound examinations during pregnancy. Fifty-two participants withdrew consent, and 1,387 participated in the study. At study entry, median maternal age was 28 y (interquartile range [IQR] 25–31), median height was 162 cm (IQR 157–168), median weight was 61 kg (IQR 55–68), 58% of the women were nulliparous, and median daily caloric intake was 1,840 cal (IQR 1,487–2,222). The median pregnancy duration was 39 wk (IQR 38–40) although there were significant differences between countries, the largest difference being 12 d (95% CI 8–16). The median birthweight was 3,300 g (IQR 2,980–3,615). There were differences in birthweight between countries, e.g., India had significantly smaller neonates than the other countries, even after adjusting for gestational age. Thirty-one women had a miscarriage, and three fetuses had intrauterine death. The 8,203 sets of ultrasound measurements were scrutinized for outliers and leverage points, and those measurements taken at 14 to 40 wk were selected for analysis. A total of 7,924 sets of ultrasound measurements were analyzed by quantile regression to establish longitudinal reference intervals for fetal head circumference, biparietal diameter, humerus length, abdominal circumference, femur length and its ratio with head circumference and with biparietal diameter, and EFW. There was asymmetric distribution of growth of EFW: a slightly wider distribution among the lower percentiles during early weeks shifted to a notably expanded distribution of the higher percentiles in late pregnancy. Male fetuses were larger than female fetuses as measured by EFW, but the disparity was smaller in the lower quantiles of the distribution (3.5%) and larger in the upper quantiles (4.5%). Maternal age and maternal height were associated with a positive effect on EFW, particularly in the lower tail of the distribution, of the order of 2% to 3% for each additional 10 y of age of the mother and 1% to 2% for each additional 10 cm of height. Maternal weight was associated with a small positive effect on EFW, especially in the higher tail of the distribution, of the order of 1.0% to 1.5% for each additional 10 kg of bodyweight of the mother. Parous women had heavier fetuses than nulliparous women, with the disparity being greater in the lower quantiles of the distribution, of the order of 1% to 1.5%, and diminishing in the upper quantiles. There were also significant differences in growth of EFW between countries. In spite of the multinational nature of the study, sample size is a limiting factor for generalization of the charts. Conclusions This study provides WHO fetal growth charts for EFW and common ultrasound biometric measurements, and shows variation between different parts of the world.

In the last decades, the developmental origins of health and disease (DOHaD) have emerged as a vigorous field combining experimental, clinical, epidemiological and public health research. Its goal is to understand how events in early life shape later morbidity risk, especially of non-communicable chronic diseases. As these diseases become the major cause of morbidity and mortality worldwide, research arising from DOHaD is likely to gain significance to public health and economic development. But action may be hindered by the lack of a firm mechanistic explanation and of a conceptual basis, especially regarding the evolutionary significance of the DOHaD phenomenon. In this article, we provide a succinct historical review of the research into the relationship between development and later disease, consider the evolutionary and developmental significance and discuss the underlying mechanisms of the DOHaD phenomenon. DOHaD should be viewed as a part of a broader biological mechanism of plasticity by which organisms, in response to cues such as nutrition or hormones, adapt their phenotype to environment. These responses may be divided into those for immediate benefit and those aimed at prediction of a future environment: disease occurs in the mismatch between predicted and realized future. The likely mechanisms that enable plasticity involve epigenetic processes, affecting the expression of genes associated with regulatory pathways. There is now evidence that epigenetic marks may be inherited and so contribute to non-genomic heritable disease risk. We end by discussing the global significance of the DOHaD phenomenon and its potential applications for public health purposes.

Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) describes an increasingly prevalent spectrum of liver disorders associated with obesity and metabolic syndrome. It is uncertain why steatosis occurs in some individuals, whereas nonalcoholic steatohepatitis (NASH) occurs in others. We have generated a novel mouse model to test our hypothesis: that maternal fat intake contributes to the development of NAFLD in adult offspring. Female mice were fed either a high-fat (HF) or control chow (C) diet before and during gestation and lactation. Resulting offspring were fed either a C or a HF diet after weaning, to generate four offspring groups; HF/HF, HF/C, C/HF, C/C. At 15 weeks of age, liver histology was normal in both the C/C and HF/C offspring. Kleiner scoring showed that although the C/HF offspring developed nonalcoholic fatty liver, the HF/HF offspring developed NASH. At 30 weeks, histological analysis and Kleiner scoring showed that both the HF/C and C/HF groups had NAFLD, whereas the HF/HF had a more severe form of NASH. Therefore, exposure to a HF diet in utero and during lactation contributes toward NAFLD progression. We investigated the mechanisms by which this developmental priming is mediated. At 15 weeks of age, hepatic mitochondrial electron transport chain (ETC) enzyme complex activity (I, II/III, and IV) was reduced in both groups of offspring from HF-fed mothers (HF/C and HF/HF). In addition, measurement of hepatic gene expression indicated that lipogenesis, oxidative stress, and inflammatory pathways were up-regulated in the 15-week-old HF/C and HF/HF offspring. Conclusion: Maternal fat intake contributes toward the NAFLD progression in adult offspring, which is mediated through impaired hepatic mitochondrial metabolism and up-regulated hepatic lipogenesis. (HEPATOLOGY 2009.)

Induction of an altered phenotype by prenatal under-nutrition involves changes in the epigenetic regulation of specific genes. We investigated the effect of feeding pregnant rats a protein-restricted (PR) diet with different amounts of folic acid on the methylation of individual CpG dinucleotides in the hepatic PPARα promoter in juvenile offspring, and the effect of the maternal PR diet on CpG methylation in adult offspring. Pregnant rats (five per group) were fed 180 g/kg casein (control) or 90 g/kg casein with 1 mg/kg folic acid (PR), or 90 g/kg casein and 5 mg/kg folic acid (PRF). Offspring were killed on postnatal day 34 (five males and females per group) and day 80 (five males per group). Methylation of sixteen CpG dinucleotides in the PPARα promoter was measured by pyrosequencing. Mean PPARα promoter methylation in the PR offspring (4·5 %) was 26 % lower than controls (6·1 %) due to specific reduction at CpG dinucleotides 2 (40 %), 3 (43 %), 4 (33 %) and 16 (48 %) ( P < 0·05). There was no significant difference in methylation at these CpG between control and PRF offspring. Methylation of CpG 5 and 8 was higher (47 and 63 %, respectively, P < 0·05) in the PRF offspring than control or PR offspring. The methylation pattern in day 80 PR offspring was comparable to day 34 PR offspring. These data show for the first time that prenatal nutrition induces differential changes to the methylation of individual CpG dinucleotides in juvenile rats which persist in adults.

Saw Swee Hock School of Public Health, National University of Singapore, Singapore, Department of Paediatrics, Yong Loo Lin School of Medicine, National University of Singapore, Singapore, Department of Obstetrics & Gynaecology, Yong Loo Lin School of Medicine, National University of Singapore, National University Health System, Singapore, Singapore Institute for Clinical Sciences, Agency for Science and Technology Research (A*STAR), Brenner Centre for Molecular Medicine, Singapore, Liggins Institute, University of Auckland, Auckland, New Zealand, Medical Research Council Lifecourse Epidemiology Unit, Southampton, UK, NIHR Southampton Biomedical Research Centre, University of Southampton and University Hospital Southampton NHS Foundation Trust, Southampton, UK, Biostatistics Unit, Yong Loo Lin School of Medicine, National University of Singapore, Singapore and KK Women’s and Children’s Hospital, Singapore