Forensisch relevante SNP-Genotypisierung mittels elektronischer Microarray-Technologie

Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen eines multizentrischen EU-geförderten Projektes, das die Anwendungsmöglichkeiten von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) zur Individualisierung von Personen im Kontext der Zuordnung von biologischen Tatortspuren oder auch bei der Identifizierung unbekannter Toter behandelt. Die übergeordnete Zielsetzung des Projektes bestand darin, hochauflösende Genotypisierungsmethoden zu etablieren und zu validieren, die mit hoher Genauigkeit aber geringen Aufwand SNPs im Multiplexformat simultan analysieren können. Zunächst wurden 29 Y-chromosomale und 52 autosomale SNPs unter der Anforderung ausgewählt, dass sie als Multiplex eine möglichst hohe Individualisierungschance aufweisen. Anschließend folgten die Validierungen beider Multiplex-Systeme und der SNaPshot™-Minisequenzierungsmethode in systematischen Studien unter Beteiligung aller Arbeitsgruppen des Projektes. Die validierte Referenzmethode auf der Basis einer Minisequenzierung diente einerseits für die kontrollierte Zusammenarbeit unterschiedlicher Laboratorien und andererseits als Grundlage für die Entwicklung eines Assays zur SNP-Genotypisierung mittels der elektronischen Microarray-Technologie in dieser Arbeit. Der eigenständige Hauptteil dieser Dissertation beschreibt unter Verwendung der zuvor validierten autosomalen SNPs die Neuentwicklung und Validierung eines Hybridisierungsassays für die elektronische Microarray-Plattform der Firma Nanogen Dazu wurden im Vorfeld drei verschiedene Assays etabliert, die sich im Funktionsprinzip auf dem Microarray unterscheiden. Davon wurde leistungsorientiert das Capture down-Assay zur Weiterentwicklung ausgewählt. Nach zahlreichen Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich PCR-Produktbehandlung, gerätespezifischer Abläufe und analysespezifischer Oligonukleotiddesigns stand das Capture down-Assay zur simultanen Typisierung von drei Individuen mit je 32 SNPs auf einem Microarray bereit. Anschließend wurde dieses Verfahren anhand von 40 DNA-Proben mit bekannten Genotypen für die 32 SNPs validiert und durch parallele SNaPshot™-Typisierung die Genauigkeit bestimmt. Das Ergebnis beweist nicht nur die Eignung des validierten Analyseassays und der elektronischen Microarray-Technologie für bestimmte Fragestellungen, sondern zeigt auch deren Vorteile in Bezug auf Schnelligkeit, Flexibilität und Effizienz. Die Automatisierung, welche die räumliche Anordnung der zu untersuchenden Fragmente unmittelbar vor der Analyse ermöglicht, reduziert unnötige Arbeitsschritte und damit die Fehlerhäufigkeit und Kontaminationsgefahr bei verbesserter Zeiteffizienz. Mit einer maximal erreichten Genauigkeit von 94% kann die Zuverlässigkeit der in der forensischen Genetik aktuell eingesetzten STR-Systeme jedoch noch nicht erreicht werden. Die Rolle des neuen Verfahrens wird damit nicht in einer Ablösung der etablierten Methoden, sondern in einer Ergänzung zur Lösung spezieller Probleme wie z.B. der Untersuchung stark degradierter DNA-Spuren zu finden sein.

Evaluation von Nukleotidpolymorphismen für die Analyse des hämatopoetischen Spenderchimärismus auf Ebene der cDNA

Nach einer hämatopoetischen Stammzelltransplantation spielt die Zuordnung hämatopoetischer Zellen zum Spender oder Empfänger für viele transplantationsbezogene Fragestellungen eine wichtige Rolle. Unter anderem ist das Persistieren von dendritischen Zellen des Empfängers, welche allogene T-Zellen des Spenders stimulieren, ein wichtiger Schritt bei der Entstehung der akuten GVHD. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Weiterentwicklung einer Methode angestrebt, die es uns erlaubt, die Zugehörigkeit isolierter hämatopoetischer Zellen dem Spender oder dem Empfänger zuzuordnen (Chimärismusbestimmung) und gleichzeitig Aussagen über das Ursprungsgewebe und den Aktivierungszustand der Zellen machen zu können. Hierfür nutzten wir Einzelbasenpolymorphismen (SNPs). Ziel dieser Arbeit war es, einen Pool von cDNA-kodierten SNPs zu definieren, mit dem auch HLA-identische Geschwister eindeutig unteschieden werden können. rnHierfür wurden zunächst aus publizierten Datenbanken solche SNPs ausgewählt, die in kodierenden Genabschnitten konstitutiv und gewebeunabhängig auf expremierten Genen lagen und zugleich eine hohe Heterozygotenfrequenz in der europäischen Population aufwiesen. Anhand dieser Kriterien wurden mittels der NCBI-Datenbank insgesamt eine Anzahl von 208 Polymorphismen auf 150 Genen identifiziert. Anschließend erfolgte die Gestaltung von Primerpaaren zur Amplifikation der SNP-kodierenden cDNA-Abschnitte. Diese mussten mindestens eine Intron/Exon-Grenze überspannen, um genomische DNA in der PCR ausschließen zu können. Mit Hilfe der etablierten PCR-Reaktion wurden die Gene in unterschiedlichen Geweben auf ihre Expression hin überprüft. Für 45 Gene ließ sich sowohl eine entsprechende PCR etablieren als auch deren konstitutive Expression in verschiedenen hämatopoetischen Zellen nachweisen. Zur Detektion der einzelnen SNPs in der Minisequenzierung wurden Minisequenzierungs-Sonden generiert und geprüft. Im Folgenden wurden für PCR und Minisequezierung Multiplex-Reaktionen aus vier bis sechs Reaktionen zusammengestellt. Zu diesem Zweck wurden die jeweiligen Primerinteraktionen und die unterschiedlichen Basenlängen des PCR-Produktes berücksichtigt.rnVon den 45 etablierten Einzelreaktionen waren 30 für den Multiplexansatz geeignet. Unter Anwendung dieser Multiplex-Reaktionen wurden 24 HLA-identische Geschwisterpaare (Spender und Empfänger) getestet. Zur Kontrolle erfolgte zusätzlich eine konventionelle Sequenzierung der SNP-kodierenden Bereiche auf der cDNA der jeweiligen Proben. Mit Hilfe der SNP-Kombinationen und der etablierten Methodik waren wir in der Lage alle 24 untersuchten Geschwisterpaare in zwischen sechs und 18 SNP-Systemen zu unterscheiden. rnDie Möglichkeiten, die die Analysen des Chimärismus mittels SNPs auf kodierenden Bereichen der DNA mit sich bringen, liegen nicht nur in der gleichzeitigen Bestimmung der Gewebszugehörigkeit und der Detektion des bestehenden Chimärismus sowie dessen Quantifizierung unter Anwendung einer Real-time-PCR. Vielmehr ermöglicht sie auch eine Aussage über die Genexpression der untersuchten Zelle zu machen. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn geringe Zellzahlen von aus Gewebe isolierten Zellen zur Verfügung stehen. Die in dieser Arbeit etablierten Ansätze werden derzeit für eine Quantifizierung mittels real-time RCR weiterentwickelt und sollen mittelfristig insbesondere für Untersuchungen des Chimärismus von dermalen und epidermalen dendritischen Zellen der Haut und anderer Zielgewebe der GvHD verwendet werden.rn

Exploring host-pathogen interactions through protein microarray. Large-scale protein microarray analysis revealed novel human receptors for the staphylococcal immune evasion protein FLIPr and for the neisserial adhesin NadA

Adhesion, immune evasion and invasion are key determinants during bacterial pathogenesis. Pathogenic bacteria possess a wide variety of surface exposed and secreted proteins which allow them to adhere to tissues, escape the immune system and spread throughout the human body. Therefore, extensive contacts between the human and the bacterial extracellular proteomes take place at the host-pathogen interface at the protein level. Recent researches emphasized the importance of a global and deeper understanding of the molecular mechanisms which underlie bacterial immune evasion and pathogenesis. Through the use of a large-scale, unbiased, protein microarray-based approach and of wide libraries of human and bacterial purified proteins, novel host-pathogen interactions were identified. This approach was first applied to Staphylococcus aureus, cause of a wide variety of diseases ranging from skin infections to endocarditis and sepsis. The screening led to the identification of several novel interactions between the human and the S. aureus extracellular proteomes. The interaction between the S. aureus immune evasion protein FLIPr (formyl-peptide receptor like-1 inhibitory protein) and the human complement component C1q, key players of the offense-defense fighting, was characterized using label-free techniques and functional assays. The same approach was also applied to Neisseria meningitidis, major cause of bacterial meningitis and fulminant sepsis worldwide. The screening led to the identification of several potential human receptors for the neisserial adhesin A (NadA), an important adhesion protein and key determinant of meningococcal interactions with the human host at various stages. The interaction between NadA and human LOX-1 (low-density oxidized lipoprotein receptor) was confirmed using label-free technologies and cell binding experiments in vitro. Taken together, these two examples provided concrete insights into S. aureus and N. meningitidis pathogenesis, and identified protein microarray coupled with appropriate validation methodologies as a powerful large scale tool for host-pathogen interactions studies.

Identifizierung und Charakterisierung von Zielantigenen alloreaktiver zytotoxischer T-Zellen mittels cDNA-Bank-Expressionsklonierung in akuten myeloischen Leukämien

Allogene hämatopoetische Stammzelltransplantationen (HSZTs) werden insbesondere zur Behandlung von Patienten mit Hochrisiko-Leukämien durchgeführt. Dabei bewirken T-Zellreaktionen gegen Minorhistokompatibilitätsantigene (mHAgs) sowohl den therapeutisch erwünschten graft-versus-leukemia (GvL)-Effekt als auch die schädigende graft-versus-host (GvH)-Erkrankung. Für die Identifizierung neuer mHAgs mittels des T-Zell-basierten cDNA-Expressionsscreenings waren leukämiereaktive T-Zellpopulationen durch Stimulation naïver CD8+-T-Lymphozyten gesunder HLA-Klasse I-identischer Buffy Coat-Spender mit Leukämiezellen von Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) generiert worden (Albrecht et al., Cancer Immunol. Immunother. 60:235, 2011). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit diesen im AML-Modell des Patienten MZ529 das mHAg CYBA-72Y identifiziert. Es resultiert aus einem bekannten Einzelnukleotidpolymorphismus (rs4673: CYBA-242T/C) des Gens CYBA (kodierend für Cytochrom b-245 α-Polypeptid; syn.: p22phox), der zu einem Austausch von Tyrosin (Y) zu Histidin (H) an Aminosäureposition 72 führt. Das mHAg wurde von T-Lymphozyten sowohl in Assoziation mit HLA-B*15:01 als auch mit HLA-B*15:07 erkannt. Eine allogene T-Zellantwort gegen CYBA-72Y wurde in einem weiteren AML-Modell (MZ987) beobachtet, die ebenso wie in dem AML-Modell MZ529 polyklonal war. Insgesamt konnte bei drei von fünf getesteten HLA-B*15:01-positiven Buffy Coat-Spendern, die homozygot für CYBA-72H (H/H) waren, eine CYBA-72Y-spezifische T-Zellantwort generiert werden. Das von den T-Lymphozyten übereinstimmend in niedrigster Konzentration erkannte Peptid umfasste die Aminosäuren 69 - 77, wobei das homologe Peptid aus CYBA-72H auch in hohen Konzentrationen keine Reaktivität auslöste. Eine reziproke Immunogenität des mHAg ist bislang nicht belegt. T-Lymphozyten gegen CYBA-72Y erkannten Leukämiezellen bei acht von zwölf HLA-B*15:01-positiven Patienten (FAB-Subtypen: M1, M2, M4, M5). Da das Gen CYBA für eine Komponente des mikrobiziden Oxidasesystems von phagozytierenden Zellen kodiert, ist es überwiegend in Zellen des hämatopoetischen Systems exprimiert. Von Leukozytensubtypen, aufgereinigt aus HLA-B*15:01-positiven Buffy Coat-Spendern mit CYBA-242T-Allel, wurden Monozyten und daraus abgeleitete dendritische Zellen durch CYBA-72Y-reaktive T-Lymphozyten sehr stark, untransformierte B-Zellen in weit geringerem Maße und Granulozyten sowie T-Lymphozyten nicht erkannt. Das für CYBA-72Y kodierende Allel CYBA-242T wurde bei 56% aller getesteten gesunden Spender und Malignompatienten (n=481) nachgewiesen. Unter Berücksichtigung der Häufigkeit des präsentierenden HLA-Allels ist davon auszugehen, dass etwa 4,5% der Kaukasier das mHAg CYBA-72Y zusammen mit HLA-B*15:01 tragen. Nach bisherigen Beobachtungen führt ein immunogener CYBA-72Y-Mismatch bei allogenen HSZTs nicht notwendigerweise zu einer schweren GvH-Erkrankung. Das hier beschriebene mHAg CYBA-72Y erscheint potenziell geeignet, im Rahmen einer allogenen HSZT die präferenzielle Elimination der Empfänger-Hämatopoese unter Einschluss von myeloischen Leukämiezellen zu bewirken. Jedoch sind weiterführende Untersuchungen erforderlich, um die therapeutische Relevanz des Antigens zu belegen.

Mining tissue microarray data to uncover combinations of biomarker expression patterns that improve intermediate staging and grading of clear cell renal cell cancer

PURPOSE: Tumor stage and nuclear grade are the most important prognostic parameters of clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). The progression risk of ccRCC remains difficult to predict particularly for tumors with organ-confined stage and intermediate differentiation grade. Elucidating molecular pathways deregulated in ccRCC may point to novel prognostic parameters that facilitate planning of therapeutic approaches. EXPERIMENTAL DESIGN: Using tissue microarrays, expression patterns of 15 different proteins were evaluated in over 800 ccRCC patients to analyze pathways reported to be physiologically controlled by the tumor suppressors von Hippel-Lindau protein and phosphatase and tensin homologue (PTEN). Tumor staging and grading were improved by performing variable selection using Cox regression and a recursive bootstrap elimination scheme. RESULTS: Patients with pT2 and pT3 tumors that were p27 and CAIX positive had a better outcome than those with all remaining marker combinations. A prolonged survival among patients with intermediate grade (grade 2) correlated with both nuclear p27 and cytoplasmic PTEN expression, as well as with inactive, nonphosphorylated ribosomal protein S6. By applying graphical log-linear modeling for over 700 ccRCC for which the molecular parameters were available, only a weak conditional dependence existed between the expression of p27, PTEN, CAIX, and p-S6, suggesting that the dysregulation of several independent pathways are crucial for tumor progression. CONCLUSIONS: The use of recursive bootstrap elimination, as well as graphical log-linear modeling for comprehensive tissue microarray (TMA) data analysis allows the unraveling of complex molecular contexts and may improve predictive evaluations for patients with advanced renal cancer.

Prognostic significance of apoptotic cell death in bladder cancer: a tissue microarray study on 179 urothelial carcinomas from cystectomy specimens

To assess the prognostic significance of apoptosis related markers in bladder cancer.

Cross-reactions vs co-sensitization evaluated by in silico motifs and in vitro IgE microarray testing

Using an in silico allergen clustering method, we have recently shown that allergen extracts are highly cross-reactive. Here we used serological data from a multi-array IgE test based on recombinant or highly purified natural allergens to evaluate whether co-reactions are true cross-reactions or co-sensitizations by allergens with the same motifs.

Purification, cDNA structure and biological significance of a single insulin-like growth factor-binding domain protein (SIBD-1) identified in the hemocytes of the spider Cupiennius salei

Cupiennius salei single insulin-like growth factor-binding domain protein (SIBD-1), which exhibits an IGFBP N-terminal domain-like profile, was identified in the hemocytes of the spider C. salei. SIBD-1 was purified by RP-HPLC and the sequence determined by a combination of Edman degradation and 5'-3'- RACE PCR. The peptide (8676.08 Da) is composed of 78 amino acids, contains six intrachain disulphide bridges and carries a modified Thr residue at position 2. SIBD-1 mRNA expression was detected by quantitative real-time PCR mainly in hemocytes, but also in the subesophageal nerve mass and muscle. After infection, the SIBD-1 content in the hemocytes decreases and, simultaneously, the temporal SIBD-1 expression seems to be down-regulated. Two further peptides, SIBD-2 and IGFBP-rP1, also exhibiting IGFBP N-terminal domain variants with unknown functions, were identified on cDNA level in spider hemocytes and venom glands. We conclude that SIBD-1 may play an important role in the immune system of spiders.

Human epidermal growth factor receptor-2 gene amplification in gastric cancer using tissue microarray technology

To assess human epidermal growth factor receptor-2 (HER2)-status in gastric cancer and matched lymph node metastases by immunohistochemistry (IHC) and chromogenic in situ hybridization (CISH).

Serodiagnosis of Echinococcus spp. infection: explorative selection of diagnostic antigens by peptide microarray

BACKGROUND: Production of native antigens for serodiagnosis of helminthic infections is laborious and hampered by batch-to-batch variation. For serodiagnosis of echinococcosis, especially cystic disease, most screening tests rely on crude or purified Echinococcus granulosus hydatid cyst fluid. To resolve limitations associated with native antigens in serological tests, the use of standardized and highly pure antigens produced by chemical synthesis offers considerable advantages, provided appropriate diagnostic sensitivity and specificity is achieved. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Making use of the growing collection of genomic and proteomic data, we applied a set of bioinformatic selection criteria to a collection of protein sequences including conceptually translated nucleotide sequence data of two related tapeworms, Echinococcus multilocularis and Echinococcus granulosus. Our approach targeted alpha-helical coiled-coils and intrinsically unstructured regions of parasite proteins potentially exposed to the host immune system. From 6 proteins of E. multilocularis and 5 proteins of E. granulosus, 45 peptides between 24 and 30 amino acids in length were designed. These peptides were chemically synthesized, spotted on microarrays and screened for reactivity with sera from infected humans. Peptides reacting above the cut-off were validated in enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). Peptides identified failed to differentiate between E. multilocularis and E. granulosus infection. The peptide performing best reached 57% sensitivity and 94% specificity. This candidate derived from Echinococcus multilocularis antigen B8/1 and showed strong reactivity to sera from patients infected either with E. multilocularis or E. granulosus. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: This study provides proof of principle for the discovery of diagnostically relevant peptides by bioinformatic selection complemented with screening on a high-throughput microarray platform. Our data showed that a single peptide cannot provide sufficient diagnostic sensitivity whereas pooling several peptide antigens improved sensitivity; thus combinations of several peptides may lead the way to new diagnostic tests that replace, or at least complement conventional immunodiagnosis of echinococcosis. Our strategy could prove useful for diagnostic developments in other pathogens.

Multiple Lab Comparison of Microarray Platforms

Microarray technology is a powerful tool able to measure RNA expression for thousands of genes at once. Various studies have been published comparing competing platforms with mixed results: some find agreement, others do not. As the number of researchers starting to use microarrays and the number of crossplatform meta-analysis studies rapidly increase, appropriate platform assessments become more important. Here we present results from a comparison study that offers important improvements over those previously described in the literature. In particular, we notice that none of the previously published papers consider differences between labs. For this paper, a consortium of ten labs from the Washington DC/Baltimore (USA) area was formed to compare three heavily used platforms using identical RNA samples: Appropriate statistical analysis demonstrates that relatively large differences exist between labs using the same platform, but that the results from the best performing labs agree rather well. Supplemental material is available from http://www.biostat.jhsph.edu/~ririzarr/techcomp/

On the Synthesis of Microarray Experiments

With many different investigators studying the same disease and with a strong commitment to publish supporting data in the scientific community, there are often many different datasets available for any given disease. Hence there is substantial interest in finding methods for combining these datasets to provide better and more detailed understanding of the underlying biology. We consider the synthesis of different microarray data sets using a random effects paradigm and demonstrate how relatively standard statistical approaches yield good results. We identify a number of important and substantive areas which require further investigation.

An introduction to low-level analysis methods of DNA microarray data

This article gives an overview over the methods used in the low--level analysis of gene expression data generated using DNA microarrays. This type of experiment allows to determine relative levels of nucleic acid abundance in a set of tissues or cell populations for thousands of transcripts or loci simultaneously. Careful statistical design and analysis are essential to improve the efficiency and reliability of microarray experiments throughout the data acquisition and analysis process. This includes the design of probes, the experimental design, the image analysis of microarray scanned images, the normalization of fluorescence intensities, the assessment of the quality of microarray data and incorporation of quality information in subsequent analyses, the combination of information across arrays and across sets of experiments, the discovery and recognition of patterns in expression at the single gene and multiple gene levels, and the assessment of significance of these findings, considering the fact that there is a lot of noise and thus random features in the data. For all of these components, access to a flexible and efficient statistical computing environment is an essential aspect.