I April i år, har vi været vidne til en af de mest monumentale præstationer i biologi: den komplette sekventering af det humane genom. Afkodning og database deposition af milliarder af baser af sekvens er udgangspunktet for postse .uence funktionelle genomics. Opdagelsen af det periodiske bord havde en vigtig indflydelse på kemi., Også den fuldstændige dechiffrering af det menneskelige genom vil have imponerende virkninger på menneskers sundhed og livskvalitet. I øjeblikket forstår vi funktionen af kun et begrænset antal humane gener. At studere alle menneskelige gener funktion er en teknologisk udfordring. For at imødegå denne udfordring er der udviklet nye high-throughput-værktøjer. Microarray assay er en kraftfuld molekylær teknologi, der tillader samtidig undersøgelse af ekspressionen af tusindvis af gener eller deres RNA-produkter, hvilket giver et præcist billede af genekspression i cellen eller prøven på tidspunktet for undersøgelsen.,for eksempel kan ekspressionen af alle gener for lægemiddelresistens og metabolisme eller alle de kendte onkogener i en celle detekteres og måles i samme tidsramme (bro .n og Botstein, 1999; Collins, 1999; Lander, 1999). Mikroarrayet kan defineres som en ordnet samling af mikrospots (proberne), hver plet indeholder en enkelt art af en nukleinsyre og repræsenterer gener af interesse. Denne teknologi er baseret på hybridisering mellem mærkede frie mål afledt af en biologisk prøve og en række mange DNA-prober, der er immobiliseret på en Matri. (Southern et al.,, 1999). Målene fremstilles ved omvendt transkription og samtidig mærkning af RNA-ekstrakter fra en biologisk prøve, der hybridiseres med DNA-fragmentprober. Hybridiseringssignalet produceret på hver sonde er mRNA-ekspressionsniveauet for det tilsvarende gen i prøven på tidspunktet for undersøgelsen. Signalerne detekteres, kvantificeres, integreres og normaliseres med dedikeret soft .are og afspejler ‘genekspressionsprofilen’ eller ‘molekylært portræt’ for hver biologisk prøve.,
mange tusinder eller titusinder af forskellige pletter kan udskrives på en silicium-eller glasskinne eller en nylon faststofbase. Der er hovedsageligt to varianter af mikroarrays: cDNA og oligonukleotidmikroarrays (Schena et al., 1995, 1996; Lockhart et al., 1996). Selvom begge typer mikroarray bruges til at analysere genekspressionsmønstre, er disse varianter grundlæggende forskellige (Lipshut.et al., 1999). I cDNA-mikroarrays immobiliseres relativt lange DNA-molekyler på en fast overflade. Denne type mikroarray bruges mest til storskala screening og ekspressionsstudier., Den oligonukleotid microarray er fremstillet ved in situ lys-instrueret kemisk syntese eller ved konventionel syntese efterfulgt af immobilisering på et glas matrix. Denne mikroarray bruges til påvisning af mutationer, genkortlægning og ekspressionsstudier og muliggør differentiel påvisning af genfamiliemedlemmer eller alternative transkripter, der ikke kan skelnes af cDNA-mikroarrays.mikroarrayets kemi er i sig selv ikke ny, da hybridiseringsteknologi har været veletableret i årtier., Imidlertid forvandler den samtidige undersøgelse af tusinder af gener mikroarray-teknikken til et kraftfuldt hele systemanalyseværktøj. Næsten 10 år er gået siden de første mikroarrays blev oprettet, og alligevel forbedrer og fremmer denne teknologi stadig. Siden den første introduktion er antallet af mikroarray-applikationer udvidet (Figur 1). Med udgangspunkt i deres anvendelse i genscreening og målidentifikation finder denne teknologi nye applikationer såsom udviklingsbiologi, sygdomsklassificering, vejundersøgelser, lægemiddelopdagelse og toksikologi., Teknologien involveret i produktion og brug af mikroarray er uden for denne gennemgang, men er blevet grundigt gennemgået andetsteds (Schena et al., 1995; Niemeyer og Blohm, 1999; Bowtell, 1999; Brown og Botstein, 1999; Celis et al., 2000; Cheung et al., 1999; Duggan et al., 1999; Graves, 1999; Khan et al., 1999; Hegde et al., 2000; Meldrum, 2000). Vi beskriver her nogle af de seneste udviklinger og resultater inden for mikroarray-teknologi inden for kræftforskning, diskuterer potentielle problemer, beskriver kliniske anvendelser og kommenterer fremtiden for denne teknologi.,
vigtigheden af at måle globale genekspression i menneskelige kræft
der Kendetegner befolkningen i transskriberet gener, der har ført til oprettelsen af et nyt begreb, de transkriptom (Su et al., 2002)., Dette koncept definerer det komplette sæt transkriberede gener udtrykt som messenger RNA ‘ er for en bestemt art. Transkriptomet repræsenterer derfor universet af RNA-budbringere, der kan kode for proteiner. 5% af generne er aktive i en bestemt celle på et givet tidspunkt. De fleste af generne undertrykkes, og denne kontrol kan forekomme enten på det transkriptionelle eller det translationelle niveau. Da reguleringen af proteinekspression på transkriptionsniveau er mere effektiv, finder mest kontrol sted på dette niveau., Genekspressionsprofilen for en celle bestemmer dens funktion, fænotype og respons på eksterne stimuli. Derfor kan genekspressionsprofiler hjælpe med at belyse cellulære funktioner, biokemiske veje og reguleringsmekanismer. Derudover kan genekspressionsprofiler af sygdomsceller / væv sammenlignet med normale kontroller fremme forståelsen af sygdomspatologi og identificere nye terapeutiske interventionspunkter, forbedre diagnosen og afklare prognose.,
i løbet af de sidste par år er der opstået flere genekspressionsprofileringsmetoder og er blevet anvendt med succes til kræftforskning. Disse inkluderer differentieret visning, seriel analyse af genekspression og mikroarrays (Velculescu et al., 1995; Granjeaud et al., 1999; Cheng et al., 2002). Mikroarrays er blevet vigtige, fordi de er lettere at bruge, Kræver ikke storskala DNA-sekventering og tillader parallel kvantificering af tusinder af gener fra flere prøver., Gene expression profiling af kræftformer, der udgør den største kategori af forskning ved hjælp af microarray-teknologi, og der synes at være den mest omfattende tilgang til at karakterisere kræft molekylemæssigt. Selvom kræftfænotypen kun delvist bestemmes af dens transkriptome, giver den stadig et klart billede af en celles fysiologiske tilstand. Styrken i denne tilgang er blevet påvist i studier udført på en bred vifte af maligne sygdomme, herunder kræft i bryst, hoved og hals -, lever -, lunge -, æggestok, bugspytkirtel, prostata og mave (Bhattacharjee et al.,, 2001; Dhanasekaran et al., 2001; Garber et al., 2001; Tonin et al., 2001; Al Moustafa et al., 2002; Belbin et al., 2002; Chen et al., 2002; Han et al., 2002; Hedenfalk et al., 2002; Hippo et al., 2002; Luo et al., 2002a).,sammenlignet med den tilsvarende kontrol prøve for at måle forskelle og ligheder mellem de to fænotyper, kræft lagdeling, hvor genekspression profiler fra forskellige prøver af samme type kræft er i forhold til at afsløre forskellige undergrupper bedre til at definere og molekylær klassifikation af en fælles histologiske type af kræft, og endelig tidsmæssig evaluering af tumor, hvor genekspression mønstre fra tumor prøverne stammer fra forskellige stadier af progression i forhold til at belyse forskellene mellem de tidlige og avancerede stadier af sygdommen., Selv om mange undersøgelser af mikroarray analyse i human sygdom er blevet offentliggjort, præsenterer vi her nogle af dem, der har en klinisk interesse for onkologi.
mikroarray og prostatacancer
adskillige undersøgelser, der bruger mikroarrays til at karakterisere prostatacancergenekspressionsprofiler, er for nylig blevet offentliggjort. Disse undersøgelser har brugt mikroarray-teknologi som et genopdagelsesværktøj til at identificere genetiske markører, der skelner mellem normalt og kræftformet prostatavæv., En simpel mikroarray-undersøgelse er blevet udført ved hjælp af plettede membranarrayer til analyse af normale og kræftvæv og cellelinjer (Bull et al., 2001). Membran microarray resultater er begrænset af den relative ufølsomhed af denne teknik til at opdage afskrifter udtrykt ved et lavt niveau, og det lille antal pletter, der kan placeres på membraner; men denne undersøgelse har givet kandidat markører for prostatakræft for yderligere evaluering., Fem offentliggjorte undersøgelser har analyseret genekspressionsprofiler i flere tusinde gener i normalt og prostatavæv og brugt uovervåget hierarkisk klyngeanalyse til at sortere prøver (dhanasekaran et al., 2001; Luo et al., 2001, 2002b; 2001elsh et al., 2001a; Singh et al., 2002). Dhanasekaran et al. (2001) var i stand til at skelne mellem normal prostata, godartet prostatahyperplasi (BPH), lokaliseret prostatacancer og metastatiske prostatacancerprøver ved anvendelse af 9.984 elementplettet mikroarrays. Ved hjælp af hierarkisk klyngeanalyse, Luo et al., (2001) var i stand til at diskriminere 16 prostatacancerprøver fra ni BPH-prøver på grundlag af forskelle i genekspressionsprofiler målt på 6,500 element-spotted cDNA microarrays. Welsh et al. (2001a) rapporterede en lignende sortering af normale og maligne prostatavævsprøver ved anvendelse af oligonukleotidmikroarrays. Interessant nok identificerede alle de fem grupper transmembran serin protease hepsin som udviser signifikant øget ekspression i malignt væv sammenlignet med det normale prostatavæv (dhanasekaran et al., 2001; Luo et al., 2001, 2002b; 2001elsh et al.,, 2001a; Singh et al., 2002). Mange andre kandidatmarkører for prostatacancer, såsom proto-oncogen PIM1, er fremkommet fra andre undersøgelser og undersøges yderligere som potentielle diagnostiske markører. Den formindskede PIM1-ekspression på immunhistokemi af prostatatumorprøver medførte en øget risiko for gentagelse efter operationen (dhanasekaran et al., 2001). Andre grupper, der bruger kombinationer af subtraktiv hybridisering og mikroarray-analyse, har identificeret flere potentielle kandidater til prostatacancerimmunmodulerende terapi, herunder prostein (.u et al.,, 2001), STEAP (Hubert et al. 1999) og p504S/Alpha-Methylacyl-CoA-Racemase (Jiang et al., 2001). I en meget nylig undersøgelse, Virolle et al. (2003) brugte en prostatacancercellelinje, der udtrykker et højt konstitutivt niveau af egr1-protein, en transkriptionsfaktor, der er overudtrykt i størstedelen af aggressive tumorigeniske prostatacancerceller. De vurderede Egr1 transkriptionel regulering, ved at udføre en oligonukleotid microarray analyse ved hjælp af celler gjort mangelfuld i Egr1 som sammenligning prøve for identifikation af Egr1 target gener., For første gang i prostatavæv bekræftede denne undersøgelse den vækstforstærkende rolle af Egr1, der tidligere blev observeret i andre cellulære systemer, og identificerede flere nye målgener, der specifikt styrer vækst, cellecyklusprogression og apoptotiske veje.
mikroarray og oral cancer
til dato er der kun offentliggjort nogle få mikroarray-undersøgelser, der er relevante for oral cancer. Chang et al. (1998) illustrerede brugen af cDNA-mikroarrays til at karakterisere transformationsrelaterede gener i oral cancer. Villaret et al., brugte en kombination af komplementær DNA-subtraktion og mikroarray-analyse til at evaluere unikke gener, der er specifikke for pladecellecarcinom i hoved og hals (HNSCC) som potentielle tumormarkører og vaccinkandidater. Ni kendte gener viste sig at være signifikant overudtrykt i HNSCC sammenlignet med normalt væv. Derudover blev fire nye gener overudtrykt i en undergruppe af tumorer (Villaret et al., 2000). Alevi .os et al. (2001) analyserede transkriptomet i pladecellecarcinom i mundhulen., De fandt omkring 600 kandidat gener (onkogener, tumor suppressorer, transkriptionsfaktorer, differentiering markører, metastatisk proteiner og miljøfremmede enzymer), der var forskelligt, der er udtrykt i oral cancer, validering af kun tre af disse gener ved PCR.
Lu et al. (2001) anvendte mikroarray-metoden til at evaluere genekspressionsprofilændringer under initiering og progression af spiserørets pladecellecarcinom., De undersøgte genekspressionsprofiler i forskellige stadier af initiering og progression af spiserørskræft for at identificere gener, der udtrykkes forskelligt mellem disse stadier. Frierson et al. (2002) brugte oligonukleotidmikroarray-analyse til at studere ekspressionen af 8.920 forskellige humane gener i 15 adenoidcystiske carcinomer (ACCs), en ACC-cellelinie og fem normale større spytkirtler., Blandt gener med forandret udtryk i ACC, var dem, kodning transkriptionsfaktorer SOX4 og AP-2 gamma -, kasein-kinase 1 samt epsilon og frizzled-7, som begge er medlemmer af Wnt/beta-catenin signalering vej. I en meget nylig undersøgelse, Leethanakul et al. (2003) genererede cDNA-biblioteker med høj kompleksitet fra laser capture microdissected normal og kræftformet pladeepitel. I denne undersøgelse undersøgte forfatterne den tilgængelige sekvensinformation ved hjælp af bioinformatiske værktøjer og identificerede 168 nye gener forskelligt udtrykt i normalt og ondartet epitel., Desuden opnåede de ved hjælp af cDNA-arrays bevis for, at en delmængde af disse nye gener kan være stærkt udtrykt i HNSCC.
mikroarray og brystkræft
i betragtning af den kliniske heterogenitet af brystkræft kan mikroarray-teknologi være et ideelt instrument til at etablere en mere nøjagtig klassificering. Indledende undersøgelser ved hjælp af mikroarray-baseret ekspressionsprofilering viste sin evne til korrekt at klassificere østrogenreceptor-negativ og østrogenreceptor-positiv brystkræft (Perou et al., 2000; Westest et al.,, 2001) og at differentiere BRCA1-relaterede tumorer fra BRCA2-relaterede og sporadiske tumorer (Hedenfalk et al., 2001; van ‘ t Veer et al., 2002).
undersøgelsen af van ‘ t Veer et al. har været en af de mest omfattende og informative undersøgelser udført til dato. Forfatterne undersøgte 117 primære brystprøver ved mikroarray-baseret genekspressionsprofilering for at udvikle prognostiske profiler og sammenligne disse med kendte prognostiske markører i brystkræft. Ud af de 5.000 gener med variable ekspressionsprofiler blev 70 identificeret for optimal nøjagtighed til forudsigelse af tilbagevendende sygdom., Ved hjælp af denne klassificering forudsagde forfatterne korrekt det faktiske resultat af sygdom for 65 ud af de 78 patienter. Fem patienter med god prognose og otte patienter med dårlig prognose blev forkert tildelt. Standard prognostiske markører i brystkræft blev brugt til at estimere risikoen for kræftfornyelse og hjælpe med at træffe beslutninger om adjuvansbehandling. Desværre identificerer de nuværende prognostiske markører ikke tilstrækkeligt den mest korrekte behandling for patienten., Den forudsigelige kraft af mikroarray-tilgangen er meget større end den for øjeblikket anvendte tilgange, men den skal valideres i mere potentielle kliniske undersøgelser. Hvis den prognostiske værdi af denne tilgang blev bekræftet, ville ekspressionsprofileringsklassifikatoren resultere i et firedoblet fald i patienter, der unødigt får adjuvansbehandling (Caldas og Aparicio, 2002).
Martin et al. (2001) beskrev en metode til at identificere cirkulerende brystkræft ved en to-trins proces med differentiel visning og højfølsom array-baseret ekspressionsprofilering., Selv hvis potentialet i denne teknik er lovende, skal dets følsomhed og specificitet stadig forbedres, og der kræves mere arbejde for at bestemme den kliniske betydning af genekspressionsprofildetektion i det perifere blod. Nogle artikler har nu vist en forbindelse mellem tumorekspressionsprofiler ved hjælp af mikroarray-teknologi og klinisk resultat. For eksempel Sorlie et al. (2001) viste, at tumorunderklasser defineret ved ekspressionsprofilering kan forudsige sygdomsfri og samlet overlevelse, og Sotiriou et al., (2002) viste, at forbehandlingsprofiler forudsagde klinisk respons på kemoterapi i en lille prøve af brysttumorer. Selvom undersøgelsen af Sorlie et al. var meget provokerende, sammenlignede forfatterne ikke den prognostiske værdi af de grupper, der blev identificeret ved hierarkisk klynge med i øjeblikket anvendte prognostiske faktorer i brystkræft., Da resistens i kræft er en stor hindring for en vellykket kemoterapi, mulighederne for at opnå en potentiel molekylær profil eller fingeraftryk af anticancer narkotika i kræftceller af microarray-teknologi er afgørende at forudsige, kemoterapi svar. Kudoh et al. (2000) demonstrerede denne evne til at definere ændringer i genekspressionsprofiler i en brystkræftcellelinje behandlet med kemoterapi. De overvågede ekspressionsprofilerne for MCF-7 brystkræftceller, der enten blev forbigående behandlet med Do .orubicin eller valgt til resistens over for do .orubicin., Denne undersøgelse viste, at kortvarig behandling med Do .orubicin ændrede ekspressionen af en forskellig gruppe gener på en tidsafhængig måde.
mikroarray og kræft i æggestokkene
i løbet af de sidste par år har flere efterforskere offentliggjort interessante undersøgelser vedrørende ekspressionsprofilering af kræft i æggestokkene. Martoglio et al. (2000) analyserede genekspressionsprofilerne for fem normale æggestokke og fire dårligt differentierede serøse papillære ovarieadenocarcinomprøver., Ved hjælp af en lille ‘in-house’ nylon membran cDNA microarray, fandt de en samlet stigning i angiogenese-relaterede markører (fx angiopoietin-1, VEGF), apoptotic og neoplastiske markører, immunforsvar mæglere og nye potentielle markører for kræft i æggestokkene (fx cofilin, moesin og neuron-restriktive lyddæmper faktor protein) i kræft væv. Undersøgelsen var spændende, fordi de brugte et billigt cDNA-array, der var skræddersyet til undersøgelser af specifikke veje, såsom angiogenese og tumorigenese., Da det er problematisk at få adgang til en passende mængde tidligt ovarietumorvæv, brugte forskerne forskellige strategier til at omgå behovet for vævsmængder, der typisk kræves ved mikroarray-analyse. For eksempel, Ismail et al. (2000) rapporterede en undersøgelse af 864 DNA-elementer screenet mod 10 ovariecancercellelinjer og fem normale epitelcellelinjer ved anvendelse af kortvarig cellekultur til at udvide ovarieoverfladeepitelet før RNA-ekstraktion., Andre efterforskere rensede ovarieepitel ved in vitro-procedurer, såsom overholdelse af glas eller immunomagnetisk berigelse (Ono et al., 2000; 2000elsh et al., 2001b). Imidlertid kan disse to fremgangsmåder indføre forstyrrelser i observeret genekspression. Faktisk er den første tilgang (Ismail et al., 2000) bruger dyrkede kræftceller, som muligvis ikke afspejler in vivo-kræft på grund af muligheden for sekundære genekspressionsændringer, der forekommer in vitro som et resultat af kulturbetingelser. Den anden strategi (Ono et al ., 2000; 2000elsh et al.,, 2001b) er meget lang og kan resultere i nedbrydning af mindre stabile RNA-budbringere. For at undgå mulige forstyrrelser, der er forbundet med in vitro-kulturer, der anvendes i nogle undersøgelser (Ismail et al., 2000; Matei et al., 2002) har andre efterforskere undersøgt genekspressionsmønstre direkte fra kirurgisk resekterede tumorer (Shridhar et al., 2001). Små, specialiserede mikroarrays har flere praktiske fordele og kan afsløre information, der kan gå tabt i større mikroarrays. Sawiris et al., (2002) brugte en højt specialiseret cDNA-mikroarray ved navn ‘Ovachip’ og fandt denne mikroarray ekstremt følsom ved at differentiere kræft i æggestokkene fra tyktarmskræft baseret på genekspressionsmønstre. Screening biomarkører for kræft i æggestokkene er meget vigtige på grund af den sene fase ved diagnose og dårlig overlevelse forbundet med denne type kræft., For nylig brugte to undersøgelser mikroarray-teknologi til at identificere to overudtrykte potentielle serummarkører for æggestokkræft kaldet osteopontin og prostasin og rapporterede foreløbig validering af deres anvendelse til tidlig påvisning af sygdommen (Mok et al., 2001; Kim et al., 2002).
mikroarray og andre kræftformer
anvendelsen af mikroarray-teknologi på andre humane kræftformer udvides hurtigt. Den banebrydende undersøgelse af Golub et al., (1999) viste, muligheden for at skelne mellem akut myeloid leukæmi og akut lymfoblastær leukæmi (ALL), der er baseret på genekspression overvågning, og hvordan, i en simuleret situation ‘blændet’ til den histologiske diagnose, de to klasser kunne have været opdaget af genekspression mønstre alene. Ali .adeh et al. (2000) identificerede de to former for diffus stor B-celle lymfom (DLBCL) på basis af genekspressionsprofiler, der er tegn på forskellige stadier af B-celledifferentiering., Interessant nok har denne molekylære klassificering prognostisk værdi uafhængig af stratificering ved den sædvanlige kliniske klassificering. At studere genekspression i lymfoide maligniteter, en stor fælles gruppe oprettet en specialiseret microarray, som hedder ‘Lymphochip’, der er beriget i gener, der er selektivt udtryk i lymfocytter og i gener, der regulerer lymfocyt-funktion (Thesis et al., 1999). Denne gruppe brugte denne mikroarray til at undersøge DLBCL og fandt to molekylært forskellige former for denne tumor., Desuden demonstrerede de, at DLBCL-undergrupperne definerede en undergruppe af patienter med en tydelig klinisk prognose. For at teste hypotesen om, at B-celle kronisk lymfocytisk leukæmi (CLL) er mere end en sygdom, Rosen .ald et al. (2001) relaterede genekspressionsmønstre af CLL til deres ig-mutationsstatus og til andre typer af normale og maligne B-celler. Interessant nok blev generne identificeret som stærkt udtrykt i CLL sammenlignet med DLBCL udtrykt ækvivalent i alle CLL-prøver uanset deres ig-mutationsstatus., Denne undersøgelse antydede, at alle CLL-tilfælde delte en fælles mekanisme for transformation og/eller oprindelsescelle. En nylig undersøgelse (strato .a et al., 2001) har foreslået en liste over potentielle nye prognostiske markører involveret i lymfocythandel og forbundet med sygdomsstadium og/eller patientoverlevelse.
i en meget nylig undersøgelse, Gariboldi et al. (2003) analyserede genekspressionsprofilerne i det normale væv af hudtumor-modtagelige og resistente mus for at identificere gener, der spiller en funktionel rolle i genetisk modtagelighed., Denne undersøgelse har antydet en rolle af scca2-genet, et medlem af serinproteaseinhibitoren superfamilie, i den genetiske disponering for hudtumorer.
mikroarray-teknologi er også blevet brugt til analyse af melanom (Bittner et al., 2000). Denne undersøgelse antydede, at genekspressionsprofiler inden for en individuel patients væv kan være bemærkelsesværdigt bevaret over tid, og at global transkriptionsanalyse kan identificere ukendte undertyper af kutan melanom og forudsige eksperimentelt verificerbare fænotypiske egenskaber.,
undersøgelser af tyktarmskræftceller og væv viste signifikant undertrykkelse af kinasegenet, ,ee1hu (Backert et al., 1999).
mange transkriptomer ændres efter specifik overekspression af tumorrelaterede gener. For eksempel har vi brugt et adenovirus-medieret ekspressionssystem af RB2/P130 tumorundertrykkende gen i en ikke-lille lungecancercellelinje for at identificere specifikke gener, der reguleres af pRb2 / P130 (Russo et al., 2003)., Vores microarray resultater har identificeret en række gener involveret i mange cellulære processer, herunder celledeling, celle signalering/celle kommunikation, cellestruktur/motilitet og genekspression og metabolisme. Disse resultater antyder nye potentielle terapeutiske biomarkører i lungecarcinom. Desuden resultaterne af en anden cDNA microarray undersøgelse viser, at de overexpression af tumor-suppressor gen, PTEN kan hæmme lunge cancer invasion af downregulating et panel af gener (Hong et al., 2000)., I lyset af ovenstående data er det klart, at mikroarray-tilgangen er meget vigtig i analysen af en række tumortyper.