ヒト癌におけるマイクロアレイ技術の利点と限界

今年の四月に、私たちは生物学 数十億塩基の配列の解読とデータベースの堆積は、postsequence functional genomicsの出発点です。 周期表の発見は化学に重要な影響を与えました。 だから、あまりにも、ヒトゲノムの完全な解読は、人間の健康と生活の質に印象的な影響を持っています。 現在、私たちは限られた数のヒト遺伝子の機能を理解しています。 すべてのヒト遺伝子機能を研究することは技術的課題である。 この課題に直面するために、新しい高スループットツールが開発されました。 マイクロアレイの試金はたくさんの遺伝子またはRNAプロダクトの表現の同時調査を可能にする調査の時に細胞またはサンプルの遺伝子発現の正確な映像を与える強力な分子技術である。例えば、薬剤耐性および代謝のためのすべての遺伝子または細胞内のすべての既知の癌遺伝子の発現は、同じ時間枠で検出および測定することがで マイクロアレイは、核酸の単一の種を含み、関心のある遺伝子を表すマイクロスポット(プローブ)の順序付けられた集合として定義することができる。 この技術は、生物学的試料に由来する標識された遊離標的と、マトリックス上に固定化された多くのDNAプローブのアレイとの間のハイブリダイゼーションに, 1999). 標的は、逆転写およびDNAフラグメントプローブとハイブリダイズされた生物学的サンプルからのRNA抽出物の同時標識によって生成される。 各プローブ上で生成されるハイブリダイゼーションシグナルは、研究時の試料中の対応する遺伝子のmRNA発現レベルである。 シグナルは、専用のソフトウェアで検出、定量、統合、正規化され、各生物学的サンプルの”遺伝子発現プロファイル”または”分子肖像”を反映しています。

シリコンまたはガラスのスライドまたはナイロンのソリッドステートベースに、何千または何万もの異なるスポットを印刷することができます。 マイクロアレイには主に2つの変異体がある:cDNAおよびオリゴヌクレオチドマイクロアレイ(Schena e t a l. ら,1 9 9 5,1 9 9 6;Lockhart e t a l., 1996). 両方のタイプのマイクロアレイが遺伝子発現パターンを分析するために使用されるが、これらの変異体は根本的に異なっている(Lipshutz et al., 1999). CDNAマイクロアレイでは、比較的長いDNA分子が固体表面に固定化される。 このタイプのマイクロアレイは大規模なスクリーニングおよび表現の調査のために大抵使用されます。 オリゴヌクレオチドマイクロアレイは,insitu光指向化学合成またはガラスマトリックス上の固定化に続いて従来の合成によって作製される。 このマイクロアレイは突然変異、遺伝子の地図を描くことおよび表現の調査の検出のために使用され、cDNAのマイクロアレイによって区別できない遺伝子の家族のメンバーか代わりとなる転写産物の差動検出を可能にする。

ハイブリダイゼーション技術は何十年も確立されているので、マイクロアレイ自体の化学は新しいものではありません。 しかし、遺伝子の何千もの同時研究は、強力なシステム全体の分析ツールにマイクロアレイ技術を変換します。 最初のマイクロアレイが作成されてからほぼ10年が経過していますが、この技術はまだ改善され、進歩しています。 最初の導入以来、マイクロアレイのアプリケーションの数は拡大しています(図1)。 この技術は、遺伝子スクリーニングや標的同定への使用を皮切りに、発生生物学、疾患分類、経路研究、創薬、毒物学などの新しい応用を発見しています。 マイクロアレイの製造および使用に関与する技術は、このレビューの範囲を超えているが、他の場所で広範囲にレビューされている(Schena e t a l. ら、1 9 9 5;NiemeyerおよびBlohm、1 9 9 9;Bowtell、1 9 9 9;BrownおよびBotstein、1 9 9 9;Celisら、1 9 9 9;NiemeyerおよびBlohm、1 9 9 9)。 ら,2 0 0 0;Cheung e t a l. ら、1 9 9 9;Duggan e t a l. ら、1 9 9 9;Graves,1 9 9 9;Khan e t a l. ら、1 9 9 9;Hegde e t a l. ら,2 0 0 0;Meldrum,2 0 0 0)。 ここでは、癌研究におけるマイクロアレイ技術の最近の開発と結果のいくつかを説明し、潜在的な問題を議論し、臨床応用を説明し、この技術の将来に

図1
図1

PubMed検索のために’マイクロアレイ’(灰色のバー)または’マイクロアレイ+癌’(白いバー)を挿入 論文は1995年から2002年の間に出版されました

ヒト癌におけるグローバルな遺伝子発現を測定することの重要性

転写された遺伝子の集団を特徴付けることは、新しい用語、トランスクリプトームの作成につながっています(Su et al., 2002). この概念は、特定の種のメッセンジャー Rnaとして発現される転写された遺伝子の完全なセットを定義する。 従ってトランスクリプトームは蛋白質のためにコードするかもしれないRNAのメッセンジャーの宇宙を表す。 遺伝子のわずか約5%は、任意の所与の時点で特定の細胞において活性である。 ほとんどの遺伝子は抑制されており、この制御は転写レベルまたは翻訳レベルのいずれかで起こり得る。 転写レベルでのタンパク質発現の調節はより効率的であるため、ほとんどの制御はこのレベルで行われる。 細胞の遺伝子発現プロファイルは、その機能、表現型および外部刺激に対する応答を決定する。 したがって、遺伝子発現プロファイルは、細胞機能、生化学的経路および調節機構を解明するのに役立ち得る。 さらに、正常なコントロールと比較して、疾患細胞/組織の遺伝子発現プロファイルは、疾患の病理学の理解を促進し、診断を改善し、予後を明確にする、介入の新たな治療ポイントを同定することができます。

過去数年間の間に、いくつかの遺伝子発現プロファイリング方法が浮上し、癌研究に成功して適用されています。 これらには、差動表示、遺伝子発現の連続分析およびマイクロアレイ(Velculescu e t a l. ら、1 9 9 5;Granjeaud e t a l. ら、1 9 9 9;Cheng e t a l., 2002). マイクロアレイは使いやすく、大規模なDNA配列決定を必要とせず、複数のサンプルから何千もの遺伝子を並列定量化できるため、重要になっています。 癌の遺伝子発現プロファイリングは、マイクロアレイ技術を用いた研究の最大のカテゴリを表し、分子癌を特徴付けるための最も包括的なアプロー 癌の表現型は、そのトランスクリプトームによって部分的にのみ決定されるが、それはまだ細胞の生理学的状態の明確な画像を提供する。 このアプローチの力は、乳房、頭頸部、肝臓、肺、卵巣、膵臓、前立腺および胃の癌を含む広範な多様な悪性腫瘍について行われた研究において実証されている(Bhattacharjee et al., 2001; ダナセカラン他 ら、2 0 0 1;Garber e t a l. ら,2 0 0 1;Tonin e t a l. ら、2 0 0 1;A L Moustafa e t a l. ら、2 0 0 2;Belbin e t a l. ら,2 0 0 2;Chen e t a l. ら、2 0 0 2;Han e t a l. ら、2 0 0 2;Hedenfalk e t a l. ら、2 0 0 2;Hippo e t a l. ら,2 0 0 2;Luo e t a l.、2002a)。の異なるサンプルからの遺伝子発現プロファイルは、より良い癌の共通の組織型の分子分類を定義するために、異なるサブグループを明らかにするた 進行の異なる段階から誘導された腫瘍サンプルからの発現パターンを比較して、疾患の初期段階と進行段階の違いを解明する。 ヒト疾患におけるマイクロアレイ解析の多くの研究が公開されているが、我々はここで腫瘍学のための臨床的関心を有するもののいくつかを提示

マイクロアレイと前立腺癌

前立腺癌の遺伝子発現プロファイルを特徴付けるためにマイクロアレイを使用していくつかの研究が最近 これらの研究は、正常と癌性前立腺組織を識別する遺伝子マーカーを識別するための遺伝子発見ツールとしてマイクロアレイ技術を使用しています。 正常および癌性組織および細胞株を分析するために、斑点膜アレイを使用して簡単なマイクロアレイ研究が行われている(Bull et al., 2001). 膜マイクロアレイの調査結果は、低レベルと膜上に配置することができるスポットの数が少ないで発現転写物を検出するために、この技術の相対的; しかし、この研究では、さらなる評価のために前立腺癌の候補マーカーが得られている。 5つの発表された研究は、正常および前立腺組織における数千の遺伝子における遺伝子発現プロファイルを分析し、標本を分類するために教師なし階層クラスタリング分析を使用した(Dhanasekaran et al. ら,2 0 0 1;Luo e t a l. ら,2 0 0 1,2 0 0 2b;Welshら,2 0 0 3,2 0 0 4,2 0 0 5. ら,2 0 0 1a;Singhら,2 0 0 1b., 2002). ダナセカラン他 (2001)は、正常な前立腺、良性前立腺過形成(BPH)、ローカライズされた前立腺癌および転移性前立腺癌サンプル9,984要素スポットマイクロアレイを使用して区別す 階層クラスタリング解析を用いて、Luo et al. (2001)は、6,500要素スポットcDNAマイクロアレイで測定された遺伝子発現プロファイルの違いに基づいて、16個のBPH標本から前立腺癌試料を識別することがで ウェルシュら。 (2001a)は、オリゴヌクレオチドマイクロアレイを用いた正常および悪性前立腺組織サンプルの同様の選別を報告した。 興味深いことに、全ての5つの群は、膜貫通セリンプロテアーゼhepsinが、正常な前立腺組織と比較して悪性組織において有意に増加した発現を示すと同定した(Dhanasekaran e t a l. ら,2 0 0 1;Luo e t a l. ら,2 0 0 1,2 0 0 2b;Welshら,2 0 0 3,2 0 0 4,2 0 0 5. ら,2 0 0 1a;Singhら,2 0 0 1b., 2002). 原発癌遺伝子PIM1のような前立腺癌の他の多くの候補マーカーは他の調査から現れ、潜在的な診断マーカーとして更に調査されています。 前立腺腫瘍試料の免疫組織化学におけるPIM1発現の減少は、手術後の再発のリスクの増大をもたらした(Dhanasekaran e t a l., 2001). 減法ハイブリダイゼーションとマイクロアレイ解析の組み合わせを用いた他のグループは、プロステインを含む前立腺癌免疫調節療法のいくつかの潜在的な候補を同定している(Xu et al. ら、2 0 0 1)、STEAP(Hubert e t a l. ら、1 9 9 9)およびp5 0 4S/Α−メチルアシル−Coa−ラセマーゼ(Jiang e t a l., 2001). 非常に最近の研究では、Virolle et al. (2003)は、攻撃的な腫瘍形成性前立腺癌細胞の大部分で過剰発現される転写因子であるEgr1タンパク質の高い構成レベルを発現する前立腺癌細胞株を使 彼らは、Egr1標的遺伝子の同定のための比較サンプルとしてEgr1が欠損した細胞を用いたオリゴヌクレオチドマイクロアレイ解析を行うことによ 前立腺組織で初めて、本研究は、以前に他の細胞系で観察されたEgr1の成長エンハンサーの役割を確認し、具体的に成長、細胞周期の進行およびアポトーシス経路を制御するいくつかの新しい標的遺伝子を同定した。

マイクロアレイと口腔癌

これまでに、口腔癌に関連するいくつかのマイクロアレイ研究が公開されています。 Chang et al. (1998)は、口腔癌における形質転換関連遺伝子を特徴付けるためのcDNAマイクロアレイの使用を例示した。 Villaret et al. 相補的なDNA減算とマイクロアレイ解析の組み合わせを使用して、潜在的な腫瘍マーカーとワクチン候補として頭頸部(HNSCC)の扁平上皮癌に特異的なユニークな 正常組織と比較してHNSCCにおいて9つの既知の遺伝子が有意に過剰発現していることが分かった。 さらに、4つの新規遺伝子が腫瘍のサブセットで過剰発現された(Villaret e t a l., 2000). Alevizos et al. (2001)口腔扁平上皮癌におけるトランスクリプトームを分析した。 彼らは、口腔癌において特異的に発現される約600の候補遺伝子(癌遺伝子、腫瘍抑制因子、転写因子、分化マーカー、転移性タンパク質および異種生物酵素)を発見し、これらの遺伝子のうち3つのみをPCRによって検証した。

Lu et al. (2001)は、食道の扁平上皮癌の開始および進行中の遺伝子発現プロファイルの変化を評価するためにマイクロアレイアプローチを使用した。 彼らは、これらの段階の間で特異的に発現する遺伝子を同定するために、食道癌の開始および進行の異なる段階における遺伝子発現プロファイルを調 Friersonら。 (2002)は、8,920の異なるヒト遺伝子の発現を研究するためにオリゴヌクレオチドマイクロアレイ解析を使用しました15腺様嚢胞癌(ACCs),一つのACC細胞株と五つの正常 ACCで発現が変化した遺伝子の中には、転写因子SOX4とAP-2ガンマ、カゼインキナーゼ1だけでなく、イプシロンとfrizzled-7をコードするものがあり、どちらもWnt/ベータカテニンシグナリング経路のメンバーである。 非常に最近の研究では、Leethanakul et al. (2003)は、レーザーキャプチャマイクロディセクション正常および癌性扁平上皮から高複雑性cDNAライブラリーを生成しました。 本研究では、著者らは、バイオインフォマティックツールを使用して利用可能な配列情報を調査し、差動正常および悪性上皮で発現168新規遺伝子を同定した。 さらに、cDNAアレイを用いて、彼らはこれらの新しい遺伝子のサブセットがHNSCCで高度に発現される可能性があるという証拠を得た。

マイクロアレイと乳がん

乳がんの臨床的異質性を考えると、マイクロアレイ技術は、より正確な分類を確立するための理想的な器具であ マイクロアレイベースの発現プロファイリングを用いた初期の研究は、エストロゲン受容体陰性およびエストロゲン受容体陽性乳癌を正確に分類する能力を実証した(Perou et al. ら、2 0 0 0;West e t a l. ら、2 0 0 1)、およびBRCA1関連腫瘍をbrca2関連腫瘍および散発性腫瘍から区別する(Hedenfalk e t a l.,2 0 0 1)。 ら,2 0 0 1;van’t Veer e t a l., 2002).van’t Veerらの研究。

これまでに行われた最も広範かつ有益な研究の一つとなっています。 著者らは、予後プロファイルを開発し、乳癌の既知の予後マーカーとこれらを比較するために、マイクロアレイベースの遺伝子発現プロファイリングに 可変発現プロファイルを持つ5,000個の遺伝子のうち、70個は、再発性疾患の予測に最適な精度のために同定された。 この分類を用いて、著者らは、78人の患者のうち65人の疾患の実際の転帰を正確に予測した。 予後が良好な患者と予後が悪い患者は誤って割り当てられた。 乳癌における標準的な予後マーカーは、癌再発のリスクを推定し、アジュバント療法についての決定を下すのに役立つために使用された。 残念なことに、現在の予後マーカーは、患者にとって最も正しい治療法を適切に特定していない。 マイクロアレイアプローチの予測力は、現在使用されているアプローチのそれよりもはるかに大きいですが、それはより前向きな臨床研究で検証する必 このアプローチの予後値が確認された場合、発現プロファイリング分類器は、不必要に補助療法を受けている患者の約四倍の減少をもたらす(Caldas and Aparicio、2002)。

Martin et al. (2001)は、差動ディスプレイと高感度アレイベースの発現プロファイリングの二段階のプロセスによって循環乳癌を同定する方法を記載しました。 この技術の可能性が有望であっても、その感度と特異性を改善する必要があり、末梢血中の遺伝子発現プロファイル検出の臨床的意義を決定するた いくつかの記事は、現在、マイクロアレイ技術と臨床転帰を使用して腫瘍発現プロファイル間のリンクを実証しています。 例えば、Sorlie e t a l. ら(2 0 0 1)は、発現プロファイリングによって定義される腫瘍サブクラスが無病生存および全生存を予測できることを実証し、Sotiriou e t a l. (2002)は、前処理発現プロファイルが、乳房腫瘍の小さなサンプルにおける化学療法に対する臨床応答を予測することを示した。 Sorlieらの研究が。 著者らは、階層的クラスタリングによって同定されたグループの予後値を、乳癌における現在使用されている予後因子と比較しなかった。 癌における薬剤耐性は化学療法の成功の大きな障害であるため、マイクロアレイ技術によって癌細胞における抗癌剤の潜在的な分子プロファイルまたは指紋を得ることの実現可能性は、化学療法応答を予測するために重要である。 Kudoh et al. (2000)は、化学療法で治療された乳癌細胞株における遺伝子発現プロファイルの変化を定義するこの能力を実証した。 彼らは、ドキソルビシンで一過性に治療されたか、またはドキソルビシンに対する抵抗性のために選択されたMCF-7乳癌細胞の発現プロファイルを この研究は、ドキソルビシンによる一過性の治療は、時間依存的に遺伝子の多様なグループの発現を変化させることを示した。

マイクロアレイと卵巣癌

過去数年間で、いくつかの研究者は、卵巣癌の発現プロファイリングに関する興味深い研究を発表しています。 Martoglio et al. (2000)は、五つの正常卵巣および四つの低分化漿液性乳頭状卵巣腺癌サンプルの遺伝子発現プロファイルを分析した。 小さな”社内”ナイロン膜cDNAマイクロアレイを使用して、彼らは、癌組織における血管新生関連マーカー(例えば、アンジオポエチン-1、VEGF)、アポトーシスおよび腫瘍マーカー、免疫応答メディエーターと卵巣癌の新規潜在的なマーカー(例えば、コフィリン、moesinとニューロン制限サイレンサー因子タンパク質)の全体的な増加を発見した。 この研究は、血管新生や腫瘍形成などの特定の経路の研究に合わせた低コストのcDNAアレイを使用したため、興味深いものでした。 適切な量の早期卵巣腫瘍組織にアクセスすることは問題であるため、研究者らは、通常、マイクロアレイ分析によって必要とされる組織量の必要性を回避するために異なる戦略を使用した。 例えば、Ismail e t a l. (2000)は、RNA抽出前に卵巣表面上皮を拡張するための短期細胞培養を用いて、10の卵巣癌細胞株および五つの正常上皮細胞株に対してスクリーニングされた864個のDNA要素の研究を報告した。 他の研究者は、ガラスへの付着または免疫磁気濃縮などのin vitro手順によって卵巣上皮を精製した(Ono e t a l. ら,2 0 0 0;Welsh e t a l.,2001b)。 しかし,これら二つのアプローチは,観察された遺伝子発現にバイアスを導入する可能性がある。 実際、最初のアプローチ(Ismail et al. 2000)は、培養条件の結果としてin vitroで起こる二次遺伝子発現変化の可能性のためにin vivo癌を反映しない可能性のある培養癌細胞を使用する。 第二の戦略(Ono et al. ら,2 0 0 0;Welsh e t a l.(2001b)は非常に長く、安定性の低いRNAメッセンジャーの分解をもたらす可能性がある。 いくつかの研究で使用されるin vitro培養物に固有の可能性のあるバイアスを回避するために(Ismail e t a l. ら,2 0 0 0;Matei e t a l. ら、2 0 0 2)、他の研究者は、外科的に切除された腫瘍から直接遺伝子発現パターンを研究している(Shridhar e t a l., 2001). 小型で特殊なマイクロアレイにはいくつかの実用的な利点があり、より大きなマイクロアレイで失われる可能性のある情報を明らかにす Sawiris et al. (2002)は、’Ovachip’という名前の高度に特殊化されたcDNAマイクロアレイを使用し、このマイクロアレイは、遺伝子発現パターンに基づいて結腸癌から卵巣癌を区別する 卵巣癌のためのスクリーニングのbiomarkersはこのタイプの癌と関連付けられる診断および悪い存続の後期のために非常に重要です。 最近、2つの研究では、オステオポンチンおよびプロスタシンと呼ばれる2つの過剰発現可能性のある卵巣癌血清マーカーを同定するためにマイクロアレー技術を使用し、疾患の早期発見のためのそれらの使用の予備的検証を報告した(Mok et al. ら,2 0 0 1;Kim e t a l., 2002).

マイクロアレイおよび他の癌

他のヒト癌へのマイクロアレイ技術の適用は急速に拡大しています。 Golubらの先駆的な研究。 (1999)は、遺伝子発現モニタリングに基づいて急性骨髄性白血病と急性リンパ芽球性白血病(ALL)を区別する可能性を実証し、組織学的診断に”盲検”されたシミュ Alizadeh et al. (2 0 0 0)は、B細胞分化の異なる段階を示す遺伝子発現プロファイルに基づいて、びまん性大B細胞リンパ腫(DLBCL)の2つの形態を同定した。 興味深いことに、この分子分類は、通常の臨床グレーディングによる層別化とは無関係に予後値を有する。 リンパ系悪性腫瘍における遺伝子発現を研究するために、大規模な共同グループは、リンパ球およびリンパ球機能を調節する遺伝子において選択的に発現される遺伝子に富む”Lymphochip”と名付けられた特殊なマイクロアレイを作成した(Alizadeh et al., 1999). 本研究グループは、このマイクロアレイを用いてDLBCLを調べ、この腫瘍の分子的に異なる2つの形態を発見しました。 さらに、彼らは、DLBCLサブグループが明確な臨床予後を有する患者のサブグループを定義することを実証した。 B細胞慢性リンパ球性白血病(CLL)が複数の疾患であるという仮説を検定するために、Rosenwald e t a l. (2001)は、CLLの遺伝子発現パターンを、それらのIg変異状態および他のタイプの正常および悪性B細胞に関連させた。 興味深いことに、DLBCLと比較してCLL中で高度に発現されると同定された遺伝子は、それらのIg変異状態に関係なく、全てのCLL試料において同等に発現された。 この研究は、すべてのCLL症例が形質転換および/または起源の細胞の共通のメカニズムを共有していることを示唆した。 最近の研究(Stratowa et al. ら、2 0 0 1)は、リンパ球の輸送に関与し、疾患の病期分類および/または患者の生存に関連する潜在的な新しい予後マーカーのリストを提案している。非常に最近の研究では、Gariboldi et al. (2003)は、遺伝的感受性において機能的役割を果たす遺伝子を同定するために、皮膚腫瘍感受性および耐性マウスの正常組織における遺伝子発現プロフ 本研究は、皮膚腫瘍への遺伝的素因におけるScca2遺伝子、セリンプロテアーゼ阻害剤スーパーファミリーのメンバーの役割を示唆している。マイクロアレイ技術は、黒色腫の分析にも使用されている(Bittner et al., 2000). この研究は、個々の患者の組織内の遺伝子発現プロファイルが著しく時間をかけて保存される可能性があり、グローバルな転写産物分析は、皮膚メラノーマの認識されていないサブタイプを識別し、実験的に検証可能な表現型の特性を予測することができることを示唆した。結腸癌細胞および組織に関する研究は、キナーゼ遺伝子、Wee1Huの有意な抑制を示した(Backert et al., 1999).

多くのトランスクリプトームは、腫瘍関連遺伝子の特異的な過剰発現後に変化する。

多くのトランスクリプトームは、腫瘍関連遺伝子の特異的 例えば、本発明者らは、pRB2/p1 3 0によって調節される特定の遺伝子を同定するために、非小肺癌細胞株におけるRB2/p1 3 0腫瘍抑制遺伝子のアデノウ, 2003). 私たちのマイクロアレイの結果は、細胞分裂、細胞シグナル伝達/細胞通信、細胞構造/運動性と遺伝子発現と代謝を含む多くの細胞プロセスに関与する これらの結果から,肺癌における新しい治療バイオマーカーが示唆された。 さらに、別のcDNAマイクロアレイ研究の結果は、腫瘍抑制遺伝子PTENの過剰発現が、遺伝子のパネルを下方制御することによって肺癌浸潤を阻害し得るこ, 2000). 上記のデータに照らして、マイクロアレイアプローチは、様々な腫瘍タイプの分析において非常に重要であることは明らかである。



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