Applicability of antibody and mRNA expression microarrays for identifying diagnostic and progression markers of early and late stage colorectal cancer

L

Vastagbéldaganatok ellenanyagmicroarray-vel kimutatott, TMA-validált progressziós markerei = Tissue microarray (TMA) validated progression markers in colorectal cancer using antibody microarrays

Háttér: A vastagbéldaganatok kialakulásának és progressziójának molekuláris folyamata, valamint az ennek hátterében álló fehérjeszintű változások nem ismertek. A microarray-rendszerek alkalmazása több száz vagy ezer fehérjekomponens párhuzamos vizsgálatával újabb információkat adhat ezeknek a kérdéseknek a megválaszolásához. Célkitűzés: A daganatkialakulás és -progresszió fehérjeszintű markereinek azonosítása ellenanyagcsipekkel, valamint validálása szöveti microarray-rendszerrel. Célunk továbbá olyan fehérjeszintű markerkombinációk azonosítása, amelyek lehetővé teszik a korai és kései vastagbéldaganatok molekuláris módszerekkel történő elkülönítését és diagnosztizálását. Anyag és módszer: Tíz Dukes B, valamint 6 Dukes D stádiumú beteg sebészi úton eltávolított, friss fagyasztott daganatos és ép mintáit vizsgáltuk meg. A homogenizált mintákból nyert nyers fehérjepreparátumokat Clontech AB500 array-re hibridizáltuk. Tizenkét kiválasztott gén validálása szöveti microarray (TMA) -technológiával történt. Eredmények: A makroszkóposan ép és daganatos területek között 67 szignifikáns, fehérjeszinten eltérő expressziót mutató gént azonosítottunk (p < 0,05), amelyek az apoptózis (5), sejtciklus-szabályozás (7), transzkripciószabályozás (4) és DNS-replikáció (6), illetve más olyan, mint transzport, sejtadhézió (45) sejtfunkcióiban vesznek részt. Immunohisztokémiai alapú TMA-val igazoltuk 12 marker: a CYCA1, HSP60, TOP1, APC, CBP, ERK, EGFR, C-myc, Cald, DARPP32, MRE11A, AR, EPS8 génekben kapott eltéréseket morfológiai szinten is. Megbeszélés: Eredményeink szerint a tumoros kialakulás fehérjecsippel meghatározott, morfológiai szinten ellenőrzött markerei a sejtfunkció széles spektrumát érintik. A daganat progressziós markerei az apoptózis, sejtciklus szabályozása és a jelátviteli utak sejtfunkcióit érintik. Sikerült egy olyan 6 fehérjéből álló markerkombinációt meghatároznunk, amely lehetővé teszi a korai és késői daganatok elkülönítését. | Background: The exact molecular biological background of colorectal cancer development and progression are not hitherto known. Using microarray systems, hundreds or thousands of parameters could be examined simultaneously for answering the mentioned questions. Aim: To identify possible protein markers of colorectal cancer development and progression using antibody array, and the validation of these markers on tissue microarrays done with colorectal cancer samples. Furthermore, to determine colorectal cancer diagnostic marker combination in protein level. Materials and methods: Surgically resected samples from ten Dukes B and six Dukes D stage patients containing both diseased and un-involved parts of the colon were freshly frozen. The samples were homogenized and the extracted proteins were used for Clontech AB500 arrays. Twelve selected genes were validated on tissue microarrays. Results: The expression of 67 proteins was altered (p < 0.05) between the normal colon and cancerous samples. These genes are related to apoptosis (n = 5), cell cycle regulation (n = 7), transcription (n = 4), DNA replication (n = 6) and other cell functions, such as transport and cell adhesion (n = 45). Twelve potential markers were immunohistochemically validated on morphological level by using tissue microarrays (CYCA1, HSP60, TOP1, APC, CBP, ERK, EGFR, C-myc, Cald, DARPP32, MRE11A, AR, EPS8). Conclusion: Based on these results, validated colorectal cancer development related protein markers are involved in a wide spectrum of cell functions such as apoptosis, cell cycle regulation, and signal transduction. A set of six proteins has been determined, which helps to differentiate between normal specimen, early and late stage colorectal cancer with high sensitivity and specificity

Use of routinely collected amniotic fluid for whole-genome expression analysis of polygenic disorders

BACKGROUND: Neural tube defects related to polygenic disorders are the second most common birth defects in the world, but no molecular biologic tests are available to analyze the genes involved in the pathomechanism of these disorders. We explored the use of routinely collected amniotic fluid to characterize the differential gene expression profiles of polygenic disorders. METHODS: We used oligonucleotide microarrays to analyze amniotic fluid samples obtained from pregnant women carrying fetuses with neural tube defects diagnosed during ultrasound examination. The control samples were obtained from pregnant women who underwent routine genetic amniocentesis because of advanced maternal age (>35 years). We also investigated specific folate-related genes because maternal periconceptional folic acid supplementation has been found to have a protective effect with respect to neural tube defects. RESULTS: Fetal mRNA from amniocytes was successfully isolated, amplified, labeled, and hybridized to whole-genome transcript arrays. We detected differential gene expression profiles between cases and controls. Highlighted genes such as SLA, LST1, and BENE might be important in the development of neural tube defects. None of the specific folate-related genes were in the top 100 associated transcripts. CONCLUSIONS: This pilot study demonstrated that a routinely collected amount of amniotic fluid (as small as 6 mL) can provide sufficient RNA to successfully hybridize to expression arrays. Analysis of the differences in fetal gene expressions might help us decipher the complex genetic background of polygenic disorders

Metilációs szabályozás alatt álló gének azonosítása lézerrel kimetszett vastagbéldaganat-sejtekben az adenoma–carcinoma sorrend vizsgálata során = Identification of methylation related genes from Lacer Capture Microdissected colon samples during investigation of adenoma–carcinoma sequence

A DNS metilációs mintázatának megváltozása a tumorok kialakulása során bizonyítottan fontos folyamat. Ez azonban a tumorok különböző mikrokörnyezetében különböző módon játszódik le, amelynek teljes genomszinten történő tanulmányozására még nincs hatékony, nagy áteresztőképességű módszerünk. Célkitűzés: Munkánk célja az, hogy azonosítsuk a vastagbéldaganatok kialakulásában és progressziójában szerepet játszó, DNS-metiláció által szabályozott géneket, génexpressziós vizsgálati módszerek felhasználásával. Ennek alapján olyan génexpresszión alapuló módszert mutatunk be, amely lézerrel kimetszett minták és metilációs sejtkultúra modell együttes felhasználásával lehetővé teszi a vastagbéldaganatokban zajló metilációs események genomszintű tanulmányozását. Anyag és módszer: HT-29 colorectalis adenocarcinoma-sejteket kezeltünk 10 μM 5-aza-2’-dezoxicitidin demetilációs ágenssel, majd meghatároztuk a kezelés hatására növekvő aktivitást mutató géneket. Ezzel párhuzamosan lézeres mikrokimetszéssel elkülönített ép, adenoma- és tumorszöveti mintákból 5000 hámsejtet gyűjtöttünk, majd azonosítottuk az adenoma–carcinoma szekvencia előrehaladtával szekvenciálisan csökkenő expressziót mutató géneket. A két géncsoport összehasonlításával meghatároztuk a feltehetően metilációs szabályozás alatt álló transzkriptumokat. Ezt követően független minták bevonásával RT-PCR megerősítést végeztünk. Következtetések: Az azonosított, adenoma–carcinoma szekvencia előrehaladtával csökkenő működésű gének szabályozása metilációs eseményekkel hozható összefüggésbe. Ennek alapján teljes genomszinten kimutathatók azok a géncsoportok – köztük például tumorszuppresszorok –, amelyek a betegség kialakulása és kórjóslata szempontjából kulcsfontosságúak. A módszerrel azonosított, vastagbéldaganatokra jellemző metilációs mintázatot mutató gének a jövőben kezelési célpontok lehetnek. | Changes of the DNA methylation pattern are proven to be an important process during tumorigenesis. This event can occur in several manners in the tumor microenvironment and there are still not any effective and high-throughput methods for genome-wide analysis of this phenomenon. Aims: Our aim was to identify colorectal cancer development and progression specific marker genes regulated by DNA methylation using gene expression analysis. In this study we present a gene expression-based method combined with a cell culture model, which can be used for a genome-wide analysis of the methylation events during the colorectal tumorigenesis. Materials and methods: Genes, which expression increased after the demethylation were determined in HT-29 colon adenocarcinoma cells treated with 10 μM 5-aza-2’-deoxycitidine. In parallel, 5000 epithelial cells were collected with laser microdissection (LCM) from normal, adenoma and tumorous colonic samples. The genes with gradually decreasing expression along the adenoma–carcinoma sequence were identified. By comparing the two groups, the transcripts, which are supposed to be regulated by methylation, could be determined. Finally, the identified gene set was validated on independent samples using RT-PCR. Conclusion: The regulation of the identified genes showing decreased expression during the adenoma–carcinoma sequence, can be associated with DNA methylation. On the basis of our results, the set of genes including tumorsuppressors can be determined genome-widely, which can be key factors in the formation and the prognosis of the disease. The identified genes showing colorectal cancer specific methylation pattern can be potential therapeutic targets in the future

Aging related methylation influences the gene expression of key control genes in colorectal cancer and adenoma

AIM: To analyze colorectal carcinogenesis and age-related DNA methylation alterations of gene sequences associated with epigenetic clock CpG sites. METHODS: In silico DNA methylation analysis of 353 epigenetic clock CpG sites published by Steve Horvath was performed using methylation array data for a set of 123 colonic tissue samples [64 colorectal cancer (CRC), 42 adenoma, 17 normal; GEO accession number: GSE48684]. Among the differentially methylated age-related genes, secreted frizzled related protein 1 (SFRP1) promoter methylation was further investigated in colonic tissue from 8 healthy adults, 19 normal children, 20 adenoma and 8 CRC patients using bisulfite-specific PCR followed by methylation-specific high resolution melting (MS-HRM) analysis. mRNA expression of age-related "epigenetic clock" genes was studied using Affymetrix HGU133 Plus2.0 whole transcriptome data of 153 colonic biopsy samples (49 healthy adult, 49 adenoma, 49 CRC, 6 healthy children) (GEO accession numbers: GSE37364, GSE10714, GSE4183, GSE37267). Whole promoter methylation analysis of genes showing inverse DNA methylation-gene expression data was performed on 30 colonic samples using methyl capture sequencing. RESULTS: Fifty-seven age-related CpG sites including hypermethylated PPP1R16B, SFRP1, SYNE1 and hypomethylated MGP, PIPOX were differentially methylated between CRC and normal tissues (P 0.5). The change of expression for several genes including SYNE1, CLEC3B, LTBP3 and SFRP1, followed the same pattern in aging and carcinogenesis, though not for all genes (e.g., MGP). CONCLUSION: Several age-related DNA methylation alterations can be observed during CRC development and progression affecting the mRNA expression of certain CRC- and adenoma-related key control genes

Szabad DNS-alapú vastagbéldaganat-szűrés perifériás vérből: a metilált szeptin-9 génmarker lehetőségei = Free circulating DNA based colorectal cancer screening from peripheral blood: the possibility of the methylated septin 9 gene marker

A DNS-metiláció szerepet játszik a daganatképződés korai szakaszában. Kimutatása szövetből, székletből és perifériás vérből egyaránt lehetséges. A szeptin-9 érzékeny metilációs jelző, amelyet több daganatban, mint emlő- és petefészekrákban, valamint neurológiai és hematológiai betegségekben is vizsgáltak. A szeptinproteinek fontos szerephez jutnak a sejtváz organizációjától az embrionális mintázat kialakulásáig. Napjainkban intenzív kutatások folynak a szeptin-9 fokozott metilációja és a vastagbélrák kialakulása közötti összefüggés felderítéseire. | DNA methylation acts in early tumorigenesis. Its detection is possible either from tissue, stool or peripheral blood. Septin 9 is a sensitive methylation marker, which has been studied in several cancers such as breast and ovarian tumors and in neurological or hematological diseases. Septin proteins have an important role from cytoskeleton organisation to development of embryonal pattern. Nowadays intensive researches are going on about the relation between the septin 9 gene hypermethylation and colorectal cancer development

Az öregedés mikroszkópos és molekuláris jelei a vastagbélben, valamint ezek lehetséges szerepe az időskori vastagbélrák kialakulásában = Age-related microscopic and molecular changes of the human colon, and their role in the development of colorectal cancer in elderly people

Az öregedés emésztőrendszeri hatásainak vizsgálata, molekuláris hátterének megismerése és bizonyos betegségek (mint például az idősek körében gyakrabban előforduló sporadikus vastagbélrák) kialakulásával való kapcsolatának feltérképezése új és ígéretes területe a molekuláris gasztroenterológiának. Ismert tény, hogy az emésztőrendszerben az öregedés során kialakuló molekuláris változások egy része (például a DNS-metiláció, a telomerrövidülés) a vastagbélrák bizonyos típusaiban is azonosítható. A sporadikus vastagbélrák epidemiológiai és molekuláris tulajdonságait ismerve továbbra is nyitott kérdés, hogy pontosan milyen molekuláris mechanizmusok, genetikai vagy génexpressziós szintű, illetve epigenetikai változások magyarázzák, hogy 45–50 éves kor felett a sporadikus vastagbélrákos megbetegedések száma ugrásszerűen megnő, és ezek vajon hogyan hozhatók összefüggésbe az öregedés mechanizmusával. Hosszú távon a megelőzés és a korszerű kezelés szempontjából is kiemelkedő jelentőségű lehet a megismert folyamatok célzott befolyásolása. Dolgozatunk az öregedés során a vastagbélben kialakuló mikroszkópos és molekuláris változásokat foglalja össze, és ezek lehetséges szerepét mutatja be az időskori sporadikus vastagbélrák kialakulásában. | The gastrointestinal effect of aging, the recognition of its molecular background and the mapping its connections with several diseases like sporadic colorectal cancer of elder people are a new and promising area of molecular gastroenterology. Nowadays, it is a well-known fact that some age-related molecular changes (e.g.: DNA methylation, telomere shortening) can be detected in several types of colorectal cancers. The known epidemiologic and molecular biologic features of sporadic colorectal cancer are not enough to explain the genetic, gene expression or epigenetic changes that may be involved in the increase of the disease over 45–50 age years. The connections of these alterations to the process of aging are also unclear. The understanding and custom-tailored modification of these mechanisms are of great clinical importance regarding of prevention and modern therapeutic strategies. In this review, we aimed to summarize the age-related microscopic and molecular changes of the human colon, as well as their role in the development of colorectal cancer of the elder people

Inflammation, adenoma and cancer: Objective classification of colon biopsy specimens with gene expression signature

Gene expression analysis of colon biopsies using high-density oligonucleotide microarrays can contribute to the understanding of local pathophysiological alterations and to functional classification of adenoma (15 samples), colorectal carcinomas (CRC) (15) and inflammatory bowel diseases (IBD) (14). Total RNA was extracted, amplified and biotinylated from frozen colonic biopsies. Genome-wide gene expression profile was evaluated by HGU133plus2 microarrays and verified by RT-PCR. We applied two independent methods for data normalization and used PAM for feature selection. Leave one-out stepwise discriminant analysis was performed. Top validated genes included collagenIV alpha 1, lipocalin-2, calumenin, aquaporin-8 genes in CRC; CD44, met proto-oncogene, chemokine ligand-12, ADAM-like decysin-1 and ATP-binding casette-A8 genes in adenoma; and lipocalin-2, ubiquitin D and IFITM2 genes in IBD. Best differentiating markers between Ulcerative colitis and Crohn's disease were cyclin-G2; tripartite motif-containing-31; TNFR shedding aminopeptidase regulator-1 and AMICA. The discriminant analysis was able to classify the samples in overall 96.2% using 7 discriminatory genes (indoleamine-pyrrole-2,3-dioxygenase, ectodermal-neural cortex, TIMP3, fucosyltransferase-8, collectin sub-family member 12, carboxypeptidase D, and transglutaminase- 2). Using routine biopsy samples we successfully performed whole genomic microarray analysis to identify discriminative signatures. Our results provide further insight into the pathophysiological background of colonic diseases. The results set up data warehouse which can be mined further

Aberrant DNA methylation of WNT pathway genes in the development and progression of CIMP-negative colorectal cancer

The WNT signaling pathway has an essential role in colorectal carcinogenesis and progression, which involves a cascade of genetic and epigenetic changes. We aimed to analyze DNA methylation affecting the WNT pathway genes in colorectal carcinogenesis in promoter and gene body regions using whole methylome analysis in 9 colorectal cancer, 15 adenoma, and 6 normal tumor adjacent tissue (NAT) samples by methyl capture sequencing. Functional methylation was confirmed on 5-aza-2′-deoxycytidine-treated colorectal cancer cell line datasets. In parallel with the DNA methylation analysis, mutations of WNT pathway genes (APC, β-catenin/CTNNB1) were analyzed by 454 sequencing on GS Junior platform. Most differentially methylated CpG sites were localized in gene body regions (95% of WNT pathway genes). In the promoter regions, 33 of the 160 analyzed WNT pathway genes were differentially methylated in colorectal cancer vs. normal, including hypermethylated AXIN2, CHP1, PRICKLE1, SFRP1, SFRP2, SOX17, and hypomethylated CACYBP, CTNNB1, MYC; 44 genes in adenoma vs. NAT; and 41 genes in colorectal cancer vs. adenoma comparisons. Hypermethylation of AXIN2, DKK1, VANGL1, and WNT5A gene promoters was higher, while those of SOX17, PRICKLE1, DAAM2, and MYC was lower in colon carcinoma compared to adenoma. Inverse correlation between expression and methylation was confirmed in 23 genes, including APC, CHP1, PRICKLE1, PSEN1, and SFRP1. Differential methylation affected both canonical and noncanonical WNT pathway genes in colorectal normal-adenoma-carcinoma sequence. Aberrant DNA methylation appears already in adenomas as an early event of colorectal carcinogenesis. © 2016 Taylor & Francis Group, LL