Expression microarray technology as a tool in cancer research

Abstract

DNA microarray technology has in a decade been rapidly adopted by biomedical researchers and emerged as a very prominent research tool. In this study, microarray technology, together with supporting methods, was utilized in studies of human cancer. The study focused on two types of cancer, a hereditary syndrome called Hereditary Leiomyomatosis and Renal Cell Cancer (HLRCC) and on colorectal cancer (CRC). HLRCC is a disease caused by mutations in the Krebs cycle gene fumarase, where some of the patients develop an aggressive and early-onset renal cancer or uterine leiomyosarcoma. CRC is one of the leading causes of death in the Western world. In the first study, yeast models with fumarase mutations were subjected to microarray profiling and functional experiments to reveal changes caused by two different fumarase mutations and to find potential candidate genes for the renal cancer observed in some of the HLRCC patients. No significant differences in fumarase gene or protein expressions or in enzyme activities were observed. This indicated that modifying genes, rather than genotype-phenotype effects, play a role in the formation of the malign tumors. In the second study, Dukes' C stage colorectal tumors with good and bad prognosis were studied using microarray profiling, and a molecular signature separating these two groups with differing prognoses was identified. The study showed that gene expression profiling of surgical samples can predict the recurrence of Dukes' C patients. In the third study, serrated colorectal carcinomas, which differ morphologically from conventional colorectal carcinomas, were distinguished from each other using expression microarrays. The separation by unsupervised clustering indicated that serrated tumors differ biologically from conventional ones. Statistical analyses were used to identify key genes with differential expression between these two tumor types and the results were further validated by immunohistochemical analyses. A key gene, EPHB2, revealed by the expression data analysis of serrated CRC, was further characterized in the last two studies to find out more about the relevance of this gene to colorectal tumorigenesis. Germline mutations in EPHB2 were found in few CRC patients, but did not appear to be a major contributor in CRC susceptibility. Aberrant promoter hypermethylation and frameshift mutations in a repetitive track of the gene were, however, found to be frequent mechanisms of EPHB2 inactivation in CRC. In general, it was observed that the use of combined research methods greatly enhance the power of microarray studies, and enable focusing of the analyses. Although the technology is presently used primarily in basic research, clinical applications are foreseeable and slowly emerging.

DNA-mikrosiruteknologia on vuosikymmenen kuluessa omaksuttu nopeasti osaksi biolääketieteellistä tutkimusta ja noussut lupaavaksi menetelmäksi syöpätutkimuksessa. Tässä työssä tutkittiin mikrosiruteknologian hyväksikäyttöä kahdella syöpätyypillä, periytyvällä HLRCC -syndroomalla sekä kolorektaalisyövällä (CRC). HLRCC aiheutuu muutoksista Krebsin syklin fumaraasi geenissä. Osalla potilaista ilmenee kohdun leiomyosarkooma tai aggressiivinen ja nuorella iällä todettu munuaissyöpä, jonka epäillään johtuvan vielä tuntemattoman geenin vaikutuksesta. CRC on yksi yleisimmistä syöpätyypeistä ja johtavista kuolinsyistä länsimaissa. Työn ensimmäisessä osassa tutkittiin kahden eri fumaraasimutaation vaikutusta hiivamallissa mikrosiruanalyysien ja funktionaalisten kokeiden avulla. Eri mutaatioiden todettiin olevan vaikutukseltaan keskenään samanlaisia, viitaten mahdollisten muiden geenien vaikutukseen munuaissyövän synnyssä. Toisessa osajulkaisussa vertailtiin mikrosiruteknologialla keskenään hyvän ja huonon ennusteen saaneita Dukes' C -luokituksen omaavia kolorektaalikasvaimia. Nämä kaksi ryhmää kyettiin molekyyligeneettisten erojensa perusteella erottamaan toisistaan, mikä osoitti leikkausnäytteiden perusteella tehtävän geeniekspressio-profiloinnin olevan näissä syövissä mahdollista ja kykenevän ennustamaan tämän syöpätyypin uusiutumista potilailla. Kolmannessa osajulkaisussa mikrosiruteknologiaa käytettiin hyväksi luokiteltaessa CRC:n sahalaitaista muotoa molekyyligeneettisen profiilinsa perusteella tavanomaisesta CRC:stä. Geneettinen profilointi jakoi nämä kaksi ryhmää omiksi alatyypeikseen, viitaten näiden rakenteellisesti tavanomaisesta CRC:stä poikkeavien sahalaitaisten kasvainten erilaiseen biologiseen taustaan. Tilastollisten analyysien perusteella sahalaitaisissa CRC:ssä erilaisimmin ilmeneviä geenejä valittiin immunohistokemiallisiin jatkotutkimuksiin, joiden avulla todennettiin mikrosiruanalyysin löydökset. Viimeisissä osajulkaisuissa tutkittiin mikrosiruanalyysien perusteella esiin tulleen EPHB2 geenin vaientamisen mekanismeja sekä merkitystä CRC:n muodostumisen alttiudessa. Geenin ituratamuutoksia löydettiin muutamasta tutkitusta CRC näytteestä, mutta niiden vaikutus CRC:n alttiuteen katsottiin vähäiseksi. Promoottorialueen hypermetylaation sekä geenin lukualueella sijaitsevan toistojakson muutosten aiheuttaman geenin vaientumisen sen sijaan havaittiin olevan yleistä. Yleisellä tasolla mikrosiruanalyysien havaittiin hyötyvän samanaikaisesti tehtävistä muista tutkimusmenetelmistä, joiden avulla tutkimuksen kohteita kyettiin rajaamaan. Vaikka teknologiaa nykyisellään sovelletaan lähinnä perustutkimukseen, on lupauksia kliinisistä käyttökohteita nähtävissä.