Characterization of a genomic signature of pregnancy identified in the breast.

The objective of this study was to comprehensively compare the genomic profiles in the breast of parous and nulliparous postmenopausal women to identify genes that permanently change their expression following pregnancy. The study was designed as a two-phase approach. In the discovery phase, we compared breast genomic profiles of 37 parous with 18 nulliparous postmenopausal women. In the validation phase, confirmation of the genomic patterns observed in the discovery phase was sought in an independent set of 30 parous and 22 nulliparous postmenopausal women. RNA was hybridized to Affymetrix HG_U133 Plus 2.0 oligonucleotide arrays containing probes to 54,675 transcripts, scanned and the images analyzed using Affymetrix GCOS software. Surrogate variable analysis, logistic regression, and significance analysis of microarrays were used to identify statistically significant differences in expression of genes. The false discovery rate (FDR) approach was used to control for multiple comparisons. We found that 208 genes (305 probe sets) were differentially expressed between parous and nulliparous women in both discovery and validation phases of the study at an FDR of 10% and with at least a 1.25-fold change. These genes are involved in regulation of transcription, centrosome organization, RNA splicing, cell-cycle control, adhesion, and differentiation. The results provide initial evidence that full-term pregnancy induces long-term genomic changes in the breast. The genomic signature of pregnancy could be used as an intermediate marker to assess potential chemopreventive interventions with hormones mimicking the effects of pregnancy for prevention of breast cancer.

Probe-level linear model fitting and mixture modeling results in high accuracy detection of differential gene expression

Affiliation: Institut de recherche en immunologie et en cancérologie, Université de Montréal

Caractérisation de la SERPINA1, une antiprotéase différentiellement exprimée dans le cancer épithélial de l’ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le cancer gynécologique le plus létal. La survie à 5 ans est de 30-40% chez les patientes atteintes d’une tumeur invasive (TOV), comparativement à 95% chez les patientes diagnostiquées pour une tumeur à faible potentiel de malignité ou borderline (LMP). Au laboratoire, l’analyse de l’expression des gènes de la micropuce à ADN U133 d’Affymetrix a révélé que la SERPINA1 est un gène dont l’expression varie entre les tumeurs LMP et TOV. La validation par Q-PCR nous a confirmé que cette antiprotéase est majoritairement surexprimée dans les tumeurs LMP, par rapport aux tumeurs bénignes (BOV) et aux tumeurs TOV. Nous avons donc surexprimé la SERPINA1 dans les lignées cellulaires invasives TOV 112D et TOV 1946 du cancer de l’ovaire et dérivé des clones stables. Les résultats obtenus nous indiquent que la surexpression de la SERPINA1 a un effet sur la capacité d’invasion et de migration cellulaire et non au niveau de la croissance cellulaire et la formation de structures tridimensionnelles. Les résultats issus de l’étude in vivo dans les souris SCID nous permettront de déterminer si la surexpression de la SERPINA1 a un effet sur la tumorigénèse ovarienne. Ainsi, la SERPINA1 demeure à notre avis un candidat d’intérêt pour tenter de mieux comprendre les différences biologiques entre les tumeurs LMP et TOV, ainsi que le rôle des protéases et de leurs inhibiteurs dans la progression tumorale du cancer de l’ovaire.

Performances de la puce exon et son application dans l’analyse de l’épissage alternatif associé à la métastase du cancer de sein

Nous montrons l’utilisation de la puce exon d’Affymetrix pour l’analyse simultanée de l’expression des gènes et de la variation d’isoformes. Nous avons utilisé les échantillons d’ARN du cerveau et des tissus de référence qui ont été antérieurement utilisés dans l’étude du consortium MicroArray Quality Control (MAQC). Nous démontrons une forte concordance de la quantification de l’expression des gènes entre trois plateformes d’expression populaires à savoir la puce exon d’Affymetrix, la puce Illumina et la puce U133A d’Affymetrix. Plus intéressant nous montrons que la majorité des discordances entre les trois plateformes résulterait des positions différentes des sondes à travers les plateformes et que les variations d’isoforme exactes ne peuvent être identifiées que par la puce exon. Nous avons détecté avec succès, entre les tissus de référence et ceux du cerveau, une centaine de cas d’évènements d’épissage alternatif. La puce exon est requise dans l’analyse de l’épissage alternatif associé aux pathologies telles que les cancers et les troubles neurologiques. Comme application de cette technologie, nous avons analysé les variations d’épissage dans la métastase du cancer de sein développé dans le model de la souris. Nous avons utilisé une gamme bien définie de trois lignées de tumeur mammaire ayant différents potentiels métastatiques. Par des analyses statistiques, nous avons répertorié 2623 transcripts présentant des variations d’expression et d’isoformes entre les types de tumeur. Une analyse du réseau de gènes montre qu’environ la moitié d’entre eux est impliquée dans plusieurs activités cellulaires, ainsi que dans nombreux cancers et désordres génétiques.

Caractérisation de Cks1, régulateur du cycle cellulaire, dans le cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le cancer gynécologique le plus létal. La survie à 5 ans est de 30-40% chez les patientes atteintes d’une tumeur invasive(TOV), comparativement à 95% chez les patientes diagnostiquées pour une tumeur à faible potentiel de malignité (LMP). Au laboratoire, l’analyse de l’expression des gènes de la micropuce à ADN HuFL d’Affymetrix a révélé que Cks1 est un gène dont l’expression varie entre les tumeurs LMP et TOV. En effet, ce régulateur du cycle cellulaire est surexprimé dans les tumeurs TOV par rapport aux tumeurs LMP. Nous avons donc déplété Cks1 dans des lignées cellulaires tumorales invasives du cancer de l’ovaire dérivées au laboratoire, soit la TOV112D et la TOV1946, en utilisant des shRNAs sous le contrôle d’un répresseur inductible à la tétracycline. Puis, nous avons dérivé des clones stables inductibles à la tétracycline. Les résultats obtenus nous indiquent que la déplétion de Cks1 n’a pas d’effet sur la prolifération et la migration cellulaires, ni sur la formation de structures tridimensionnelles in vitro. Ainsi, nous pouvons conclure que Cks1 ne joue pas un rôle clé dans la progression tumorale par rapport aux paramètres testés. Or, des études supplémentaires seraient nécessaires pour expliquer les différences biologiques observées entre les deux types de tumeurs étudiées, et justifier cette variation observée de l’expression de Cks1.

Étude de facteurs génétiques prédictifs dans le neuroblastome, en particulier les anomalies du chromosmoe 14q

Le neuroblastome (NB) représente 8% de tous les cancers pédiatriques et est caractérisé par sa grande hétérogénéité clinique. Afin d’évaluer son pronostic, plusieurs facteurs génétiques sont utilisés : amplification de MYCN, délétion 1p, gain 11q et gain 17q. Les buts de notre travail étaient d’abord de vérifier si l’hybridation in situ en fluorescence (FISH) permet une analyse complète de ces anomalies et ensuite, en utilisant une analyse globale du génome telle le polymorphisme nucléotidique simple (SNP), de vérifier la concordance avec les résultats de la FISH et le pronostic potentiel des anomalies du 14q, en particulier du gène AKT. Nous avons donc établi un panel de sondes pour la FISH qui a été appliqué sur 16 tumeurs non-fixées. Après isolation de l’ADN de 36 tumeurs, nous avons effectué une analyse génotypique par SNP utilisant les puces « Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array 6.0 » contenant 945,826 sondes non polymorphiques et 906,000 sondes polymorphiques. Nos résultats ont démontré que la FISH permet l’évaluation complète des anomalies génétiques importantes du NB et que les anomalies déséquilibrées sont détectées très précisément par SNP. Les anomalies du 14q tendent à être associées avec des facteurs cliniques comme le grade et l’évolution, contrairement aux anomalies d’AKT. L’analyse du 14q a révélé trois gènes d’intérêt, MAX, BCL11B et GPHN, qui devraient être analysés sur un plus grand échantillon. Ainsi, l’étude par FISH semble adaptée pour détecter les anomalies génétiques classiques du NB, alors que celles retrouvées en 14q représentent de potentielles cibles thérapeutiques pour cette tumeur.

Comparaison des méthodes d'analyse de l'expression différentielle basée sur la dépendance des niveaux d'expression

La technologie des microarrays demeure à ce jour un outil important pour la mesure de l'expression génique. Au-delà de la technologie elle-même, l'analyse des données provenant des microarrays constitue un problème statistique complexe, ce qui explique la myriade de méthodes proposées pour le pré-traitement et en particulier, l'analyse de l'expression différentielle. Toutefois, l'absence de données de calibration ou de méthodologie de comparaison appropriée a empêché l'émergence d'un consensus quant aux méthodes d'analyse optimales. En conséquence, la décision de l'analyste de choisir telle méthode plutôt qu'une autre se fera la plupart du temps de façon subjective, en se basant par exemple sur la facilité d'utilisation, l'accès au logiciel ou la popularité. Ce mémoire présente une approche nouvelle au problème de la comparaison des méthodes d'analyse de l'expression différentielle. Plus de 800 pipelines d'analyse sont appliqués à plus d'une centaine d'expériences sur deux plateformes Affymetrix différentes. La performance de chacun des pipelines est évaluée en calculant le niveau moyen de co-régulation par l'entremise de scores d'enrichissements pour différentes collections de signatures moléculaires. L'approche comparative proposée repose donc sur un ensemble varié de données biologiques pertinentes, ne confond pas la reproductibilité avec l'exactitude et peut facilement être appliquée à de nouvelles méthodes. Parmi les méthodes testées, la supériorité de la sommarisation FARMS et de la statistique de l'expression différentielle TREAT est sans équivoque. De plus, les résultats obtenus quant à la statistique d'expression différentielle corroborent les conclusions d'autres études récentes à propos de l'importance de prendre en compte la grandeur du changement en plus de sa significativité statistique.

Analyse génotypique des cellules initiatrices de tumeurs exprimant CD133 dans le neuroblastome

Le neuroblastome (NB) est la tumeur solide extracranienne la plus fréquente et mortelle chez les jeunes enfants. Il se caractérise par une résistance à la chimiothérapie possiblement en partie dû à la présence de cellules initiatrices de tumeurs (TICs). Des études ont mis en évidence le rôle de CD133 comme un marqueur des TICs dans divers types de cancers. Les buts de notre travail étaient d’abord de démontrer les vertus de TICs des cellules exprimant CD133 et ensuite, en utilisant une analyse globale du génome avec des polymorphismes nucléotidiques simples (SNPs), d’effectuer une analyse différentielle entre les TICs et les autres cellules du NB afin d’en identifier les anomalies génétiques spécifiques. Des lignées cellulaires de NB ont été triées par cytométrie de flux afin d’obtenir deux populations: une enrichie en CD133 (CD133high), l’autre faible en CD133 (CD133low). Afin de déterminer si ces populations cellulaires présentent des propriétés de TICs, des essais sur les neurosphères, les colonies en agar mou et les injections orthotopiques de 500 cellules sélectionnées dans 11 souris ont été réalisées. Après une isolation de l’ADN des populations sélectionnées, nous avons effectué une analyse génotypique par SNP utilisant les puces « Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array 6.0 ». Pour vérifier l’expression des gènes identifiés, des Western Blots ont été réalisés. Nos résultats ont démontré que la population CD133 avait des propriétés de TICs in vitro et in vivo. L’analyse génotypique différentielle a permis d’identifier deux régions communes (16p13.3 and 19p13.3) dans la population CD133high ayant des gains et deux autres régions (16q12.1 and 21q21.3) dans la population CD133low possédant des pertes d’hétérozygoties (LOH). Aucune perte n’a été observée. Parmi les gènes étudiés, l’expression protéique d’éphrine-A2 était corrélée à celle de CD133 dans 6 tumeurs et 2 lignées cellulaires de NB. De plus, l’augmentation de la concentration d’anticorps anti-éphrine-A2 dans le milieu diminue la taille des neurosphères. Ainsi, la population CD133high, qui a des vertus de TICs, possède des caractéristiques génotypiques différentes par rapport à celle CD133low. La présence d’éphrine-A2 dans les cellules exprimant CD133 souligne son importance dans le développement des TICs. Ces résultats suggèrent la présence de potentielle cible pour de nouvelles thérapeutiques ciblant les TICs mise en évidence par l’étude génomique.

A novel transcriptomic approach to identify candidate genes for grain quality traits in wheat

A novel methodology is described in which transcriptomics is combined with the measurement of bread-making quality and other agronomic traits for wheat genotypes grown in different environments (wet and cool or hot and dry conditions) to identify transcripts associated with these traits. Seven doubled haploid lines from the Spark x Rialto mapping population were selected to be matched for development and known alleles affecting quality. These were grown in polytunnels with different environments applied 14 days post-anthesis, and the whole experiment was repeated over 2 years. Transcriptomics using the wheat Affymetrix chip was carried out on whole caryopsis samples at two stages during grain filling. Transcript abundance was correlated with the traits for approximately 400 transcripts. About 30 of these were selected as being of most interest, and markers were derived from them and mapped using the population. Expression was identified as being under cis control for 11 of these and under trans control for 18. These transcripts are candidates for involvement in the biological processes which underlie genotypic variation in these traits.

Dietary vitamin E modulates differential gene expression in the rat hippocampus: potential implications for its neuroprotective properties

A wide range of cell culture, animal and human epidemiological studies are suggestive of a role of vitamin E (VE) in brain function and in the prevention of neurodegeneration. However, the underlying molecular mechanisms remain largely unknown. In the current investigation Affymetrix gene chip technology was utilised to establish the impact of chronic VE deficiency on hippocampal genes expression. Male albino rats were fed either a VE deficient or standard diet (60 mg/kg feed) for a period of 9 months. Rats were sacrificed, the hippocampus removed and genes expression established in individual animals. VE deficiency showed to have a strong impact on genes expression in the hippocampus. An important number of genes found to be regulated by VE was associated with hormones and hormone metabolism, nerve growth factor, apoptosis, dopaminergic neurotransmission, and clearance of amyloid-beta and advanced glycated endproducts. In particular, VE strongly affected the expression of an array of genes encoding for proteins directly or indirectly involved in the clearance of amyloid beta, changes which are consistent with a protective effect of VE on Alzheimer's disease progression.

alpha-tocopherol affects androgen metabolism in male rat

The Alpha-Tocopherol Beta-Carotene Cancer Prevention Study has provided the first evidence implicating vitamin E in hormone synthesis. The effect of vitamin E on stereoidogenesis in testes and adrenal glands was assessed in growing rats using Affymetrix gene-chip technology. Dietary supplementation of rats with vitamin E (60 mg/kg feed) for a period of 429 days caused a significant repression of genes encoding for proteins centrally involved in the uptake (low-density lipoprotein receptor) and de novo synthesis (for example, 7-dehydrocholesterol reductase, 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase, 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase, isopentenyl-diphosphate delta-isomerase, and farnesyl pyrophosphate synthetase) of cholesterol, the precursor of all steroid hormones. The present investigation indicates that dietary vitamin E may induce changes in stereoidogenesis by affecting cholesterol homeostasis.

Gene expression profiling of human hibernating myocardium: Increased expression of B-type natriuretic peptide and proenkephalin in hypocontractile vs normally-contracting regions of the heart

A greater understanding of the molecular basis of hibernating myocardium may assist in identifying those patients who would most benefit from revascularization. Paired heart biopsies were taken from hypocontractile and normally-contracting myocardium (identified by cardiovascular magnetic resonance) from 6 patients with chronic stable angina scheduled for bypass grafting. Gene expression profiles of hypocontractile and normally-contracting samples were compared using Affymetrix microarrays. The data for patients with confirmed hibernating myocardium were analysed separately and a different, though overlapping, set (up to 380) of genes was identified which may constitute a molecular fingerprint for hibernating myocardium. The expression of B-type natriuretic peptide (BNP) was increased in hypocontractile relative to normally-contracting myocardium. The expression of BNP correlated most closely with the expression of proenkephalin and follistatin 3, which may constitute additional heart failure markers. Our data illustrate differential gene expression in hypocontractile and/hibernating myocardium relative to normally-contracting myocardium within individual human hearts. Changes in expression of these genes, including increased relative expression of natriuretic and other factors, may constitute a molecular signature for hypocontractile and/or hibernating myocardium.

Glycogen synthase kinases 3α and 3β in cardiac myocytes: regulation and consequences of their inhibition

Inhibition of glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) as a consequence of its phosphorylation by protein kinase B/Akt (PKB/Akt) has been implicated in cardiac myocyte hypertrophy in response to endothelin-1 or phenylephrine. We examined the regulation of GSK3α (which we show to constitute a significant proportion of the myocyte GSK3 pool) and GSK3β in cardiac myocytes. Although endothelin increases phosphorylation of GSK3 and decreases its activity, the response is less than that induced by insulin (which does not promote cardiac myocyte hypertrophy). GSK3 phosphorylation induced by endothelin requires signalling through the extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) cascade and not the PKB/Akt pathway, whereas the reverse is true for insulin. Cardiac myocyte hypertrophy involves changes in morphology, and in gene and protein expression. The potent GSK3 inhibitor 1-azakenpaullone increases myocyte area as a consequence of increased cell length whereas phenylephrine increases both length and width. Azakenpaullone or insulin promotes AP1 transcription factor binding to an AP1 consensus oligonucleotide, but this was significantly less than that induced by endothelin and derived principally from increased binding of JunB protein, the expression of which was increased. Azakenpaullone promotes significant changes in gene expression (assessed by Affymetrix microarrays), but the overall response is less than with endothelin and there is little overlap between the genes identified. Thus, although GSK3 may contribute to cardiac myocyte hypertrophy in some respects (and presumably plays an important role in myocyte metabolism), it does not appear to contribute as significantly to the response induced by endothelin as has been maintained.

Gene-chip technology and its applications

Gene Chips are finding extensive use in animal and plant science. Generally microarrays are of two kind, cDNA or oligonucleotide. cDNA microarrays were developed at Stanford University, whereas oligonucleotide were developed by Affymetrix. The construction of cDNA or oligonucleotide on a glass slide helps to compare the gene expression level of treated and control samples by labeling mRNA with green (Cy3) and red (Cy5) dyes. The hybridized gene chip emit fluorescence whose intensity and colour can be measured. RNA labeling can be done directly or indirectly. Indirect method involves amino allyle modified dUTP instead of pre-labelled nucleotide. Hybridization of gene chip generally occurs in a minimum volume possible and to ensure the hetroduplex formation, a ten fold more DNA is spotted on slide than in the solutions. A confocal or semi confocal laser technologies coupled with CCD camera are used for image acquisition. For standardization, house keeping genes are used or cDNA are spotted in gene chip that are not present in treated or control samples. Moreover, statistical analysis (image analysis) and cluster analysis softwares have been developed by Stanford University. The gene-chip technology has many applications like expression analysis, gene expression signatures (molecular phenotypes) and promoter regulatory element co-expression.