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Bereich der
Erfindung
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Die Niveaus der Beobachtung, die
durch die methodologischen Entwicklungen der letzten Jahre in der Molekularbiologie
untersucht wurden, sind die Gene selber, die Translation dieser
Gene in RNA und die daraus resultierenden Proteine. Die Frage, welches
Gen zu welchem Zeitpunkt im Verlauf der Entwicklung eines Individuums
angeschaltet wird, und wie die Aktivierung und Inhibierung von spezifischen
Genen in spezifischen Zellen und Geweben kontrolliert werden, ist
mit dem Ausmaß und
Charakter der Methylierung des Gens oder des Genoms korrelierbar.
In dieser Hinsicht können
sich pathogene Zustände
in einem veränderten
Methylierungsmuster von individuellen Genen oder des Genoms manifestieren.
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Die DNA-Methylierung spielt beispielsweise
eine Rolle bei der Regulation der Transkription, beim genetischem
Imprinting und in der Tumorgenese. Die Identifizierung von 5-Methylcytosin als
Bestandteil genetischer Information ist daher von erheblichem Interesse.
5-Methylcytosin-Positionen
können
jedoch nicht durch Sequenzierung identifiziert werden, da 5-Methylcytosin
das gleiche Basenpaarungsverhalten aufweist, wie Cytosin. Darüber hinaus
geht die vom 5-Methylcytosin getragene epigenetische Information
bei einer PCR-Amplifikation
vollständig
verloren.
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Eine relativ neue und die mittlerweile
am häufigsten
angewandte Methode zur Untersuchung von DNA auf 5-Methylcytosin
beruht auf der spezifischen Reaktion von Bisulfit mit Cytosin, das
nach anschließender
alkalischer Hydrolyse in Uracil umgewandelt wird, welches in seinem
Basenpaarungsverhalten dem Thymidin entspricht. 5-Methylcytosin
wird dagegen unter diesen Bedingungen nicht modifiziert. Damit wird
die ursprüngliche
DNA so umgewandelt, daß Methylcytosin,
welches ursprünglich
durch sein Hybridisierungsverhalten vom Cytosin nicht unterschieden
werden konnte, jetzt durch „normale" molekularbiologische
Techniken als einzig verbliebenes Cytosin, beispielsweise durch
Amplifikation und Hybridisierung oder Sequenzierung, nachgewiesen
werden kann. Alle diese Techniken beruhen auf Basenpaarung, welche
jetzt voll ausgenutzt werden kann. Der Stand der Technik, was die
Empfindlichkeit betrifft, wird durch ein Verfahren definiert, welches
die zu untersuchende DNA in einer Agarose-Matrix einschließt, dadurch
die Diffusion und Renaturierung der DNA (Bisulfit reagiert nur mit
einzelsträngiger
DNA) verhindert und alle Fällungs-
und Reinigungsschritte durch schnelle Dialyse ersetzt (Olek A, Oswald
J, Walter J. A modified and improved method for bisulphite based
cytosine methylation analysis. Nucleic Acids Res. 1996 Dec 15;24(24):
5064–6).
Mit dieser Methode können
einzelne Zellen untersucht werden, was das Potential der Methode
veranschaulicht. Allerdings werden gegenwärtig nur einzelne Regionen
bis etwa 3000 Basenpaare Länge
untersucht, eine globale Untersuchung von Zellen auf Tausende von
möglichen
Methylierungsereignisse ist nicht möglich. Allerdings kann auch
dieses Verfahren keine sehr kleinen Fragmente aus geringen Probenmengen
zuverlässig
analysieren. Diese gehen trotz Diffusionsschutz durch die Matrix
verloren.
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Eine Übersicht über die weiteren bekannten
Verfahren zum Nachweis von 5-Methylcytosin kann dem folgenden Übersichtsartikel
entnommen werden: Rein, T., DePamphilis, M. L., Zorbas, H., Nucleic
Acids Res. 1998, 26, 2255.
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Die Bisulfit-Technik wird bisher
bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Zeschnigk M, Lich C, Buiting K, Doerfler
W, Horsthemke B. A single-tube PCR test for the diagnosis of Angelman
and Prader-Willi syndrome based on allelic methylation differences
at the SNRPN locus. Eur J Hum Genet. 1997 Mar-Apr;5(2): 94–8) nur in
der Forschung angewendet. Immer aber werden kurze, spezifische Stücke eines
bekannten Gens nach einer Bisulfit-Behandlung amplifiziert und entweder
komplett sequenziert (Olek A, Walter J. The pre-implantation ontogeny
of the H19 methylation imprint. 1997 Nov;17(3): 275–6) oder
einzelne Cytosin-Positionen durch eine „Primer-Extension-Reaktion" (Gonzalgo ML, Jones
PA. Rapid quantitation of methylation differences at specific sites
using methylation-sensitive single nucleotide primer extension (Ms-SNuPE)
Nucleic Acids Res. 1997 Jun 15;25(12): 2529–31, WO Patent 9500669) oder
durch enzymatischen Verdau (Xiong Z, Laird PW. COBRA: a sensitive
and quantitative DNA methylation assay. Nucleic Acids Res. 1997
Jun 15;25(12): 2532–4)
nachgewiesen. Zudem ist auch der Nachweis durch Hybridisierung beschrieben
worden (Olek et al., WO 99/28498).
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Weitere Publikationen, die sich mit
der Anwendung der Bisulfit-Technik zum Methylierungsnachweis bei
einzelnen Genen befassen, sind: Grigg G, Clark S. Sequencing 5-methylcytosine residues
in genomic DNA. Bioessays. 1994 Jun;16(6): 431–6, 431; Zeschnigk M, Schmitz
B, Dittrich B, Buiting K, Horsthemke B, Doerfler W. Imprinted segments
in the human genome: different DNA methylation patterns in the Prader-Willi/Angelman
syndrome region as determined by the genomic sequencing method.
Hum Mol Genet. 1997 Mar;6(3): 387–95; Feil R, Charlton J, Bird
AP, Walter J, Reik W. Methylation analysis on individual chromosomes:
improved protocol for bisulphite genomic sequencing. Nucleic Acids
Res. 1994 Feb 25;22(4): 695–6;
Martin V, Ribieras S, Song-Wang X, Rio MC, Dante R. Genomic sequencing
indicates a correlation between DNA hypomethylation in the 5' region of the pS2
gene and its expression in human breast cancer cell lines. Gene. 1995
May 19;157(1-2): 261–4;
WO 97/46705, WO 95/15373 und WO 97/45560.
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Eine Übersicht über den Stand der Technik in
der Oligomer Array Herstellung läßt sich
aus einer im Januar 1999 erschienenen Sonderausgabe von Nature Genetics
(Nature Genetics Supplement, Volume 21, January 1999) und der dort
zitierten Literatur entnehmen.
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Für
die Abtastung immobilisierter DNA-Arrays werden vielfach fluoreszenzmarkierte
Sonden verwendet. Besonders geeignet für Fluoreszenzmarkierungen ist
das einfache Anbringen von Cy3 und Cy5 Farbstoffen am 5'-OH der jeweiligen
Sonde. Die Detektion der Fluoreszenz der hybridisierten Sonden kann
beispielsweise über
ein Konfokalmikroskop erfolgen. Die Farbstoffe Cy3 und Cy5 sind,
neben vielen anderen, kommerziell erhältlich.
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Matrix-unterstützte Laser Desorptions/Ionisations-Massenspektrometrie
(MALDI-TOF) ist eine sehr leistungsfähige Entwicklung für die Analyse
von Biomolekülen
(Karas M, Hillenkamp F. Laser desorption ionization of proteins
with molecular masses exceeding 10,000 daltons. Anal Chem. 1988
Oct 15;60(20): 2299–301).
Ein Analyt wird in eine lichtabsorbierende Matrix eingebettet. Durch
einen kurzen Laserpuls wird die Matrix verdampft und das Analytmolekül so unfragmentiert
in die Gasphase befördert.
Durch Stöße mit Matrixmolekülen wird
die Ionisation des Analyten erreicht. Eine angelegte Spannung beschleunigt
die Ionen in ein feldfreies Flugrohr. Auf Grund ihrer verschiedenen
Massen werden die Ionen unterschiedlich stark beschleunigt. Kleinere
Ionen erreichen den Detektor früher
als größere.
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MALDI-TOF Spektrometrie eignet sich
ausgezeichnet zur Analyse von Peptiden und Proteinen. Die Analyse
von Nukleinsäuren
ist etwas schwieriger (Gut I G, Beck S. DNA and Matrix Assisted
Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry. Current Innovations
and Future Trends. 1995, 1; 147–57).
Für Nukleinsäuren ist
die Empfindlichkeit etwa 100 mal schlechter als für Peptide
und nimmt mit zunehmender Fragmentgröße überproportional ab. Für Nukleinsäuren, die
ein vielfach negativ geladenes Rückgrat
haben, ist der Ionisationsprozeß durch
die Matrix wesentlich weniger effizient. In der MALDI-TOF Spektrometrie
spielt die Wahl der Matrix eine eminent wichtige Rolle. Für die Desorption
von Peptiden sind einige sehr leistungsfähige Matrizes gefunden worden,
die eine sehr feine Kristallisation ergeben. Mittlerweile gibt es
einige ansprechende Matrizes für
DNA, der Empfindlichkeitsunterschied wurde jedoch nicht verringert.
Der Empfindlichkeitsunterschied kann verringert werden, indem die
DNA chemisch so modifiziert wird, daß sie einem Peptid ähnlicher
wird. Phosphorothioatnukleinsäuren,
bei denen die gewöhnlichen
Phosphate des Rückgrats
durch Thiophosphate substituiert sind, lassen sich durch einfache
Alkylierungschemie in eine ladungsneutrale DNA umwandeln (Gut IG, Beck
S. A procedure for selective DNA alkylation and detection by mass
spectrometry. Nucleic Acids Res. 1995 Apr 25;23(8): 1367–73). Die
Kopplung eines „charge
tags" an diese modifizierte
DNA führt
zu der Steigerung der Empfindlichkeit auf das gleiche Niveau, wie
es für
Peptide gefunden wird. Ein weiterer Vorteil von „charge tagging" ist die erhöhte Stabilität der Analyse
gegen Verunreinigungen, die den Nachweis unmodifizierter Substrate
stark erschweren.
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Genomische DNA wird von der DNA aus
zellulären,
Gewebe- oder anderen Testproben unter der Verwendung von Standardverfahren
erhalten. Diese Standard-Methodologie kann in Literaturstellen,
wie zum Beispiel Fritsch und Maniatis eds.; Molecular Clonin: A
Laboratory Manual, 1989, gefunden werden.
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Brustkrebs ist augenblicklich der
zweit-häufigste
Typ von Krebs bei Frauen. Im Jahr 2001 wurden über 190.000 neue Fälle von
invasivem Brustkrebs und über
47.000 weitere Fälle
von in situ-Brustkrebs diagnostiziert. Das Auftreten und die Todesrate
nimmt mit dem Alter zu, für
die Zeitspanne von 1994–1998
war das Auftreten von Brustkrebs unter Frauen im Alter zwischen
20 und 24 nur 1,5 pro 100.000 Einwohnerinnen. Das Risiko steigt
jedoch bis zu 498,7 innerhalb der Altersgruppe von 75–79 an.
Die Mortalitätsraten
nahmen um ungefähr
5% über
das letzte Jahrzehnt hinweg ab und Faktoren, die die 5-Jahres-Überlebensraten
beeinflussen, schließen
Alter, Phase des Krebses, sozioökonomische
Faktoren und Rasse ein.
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Brustkrebs wird definiert als die
unkontrollierte Zellteilung von Zellen innerhalb der Brustgewebe.
Die Brüste
bestehen aus 15 bis 20 Lappen, die miteinander durch Gänge ver bunden
sind. Krebs entsteht am häufigsten
in einem Gang (Ductus), wird jedoch auch in den Lappen gefunden,
wobei der seltenste Typ von Krebs entzündlicher Brustkrebs genannt
wird.
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Es wird dem Fachmann ersichtlich
sein, daß ein
ständiger
Bedarf besteht, die Verfahren des frühen Nachweises, der Klassifikation
und Behandlung von Brustkrebs zu verbessern. Im Unterschied zum
Nachweis von einigen anderen verbreiteten Krebsarten, wie zum Beispiel
Cervix- und Hautkrebs, bestehen inhärente Schwierigkeiten bei der
Klassifizierung und dem Nachweis von Brustkrebs.
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Der erste Schritt jeder Behandlung
ist die Ermittlung des Zustands des Patienten im Vergleich zu definierten
Klassifikationen der Erkrankung. Der Wert eines solchen Systems
hängt jedoch
inhärent
von der Qualität
der Klassifizierung ab. Brustkrebs wird gemäß seiner Größe, seiner Lokalisierung und
des Auftretens von Metastasen eingestuft. Verfahren der Behandlung
schließen
die Anwendung von Chirurgie, Bestrahlungstherapie und Hormontherapie
ein, die auch als Anschlußtherapien
an die Chirurgie angewendet werden.
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Endokrine Therapien wurden entwickelt,
um die Effekte von Estrogen auf Krebszellen zu blockieren oder die
Serum-Estrogenspiegel zu verringern. Tamoxifen (TAM) ist der am
meisten verbreitet verwendete anti-Estrogene Wirkstoff für Brustkrebs-Patientinnen.
Er wirkt durch die Blockierung der Estrogen-Stimulierung von Brustkrebszellen,
wobei sowohl die Translokation als auch die nukleare Bindung des
Estrogenrezeptors inhibiert wird. TAM wird in Anschlußtherapie-Ansätzen bei
primären
Brustkrebs-Patientinnen und bei der Behandlung von metastatischer
Erkrankung verwendet, und seine Effektivität wurde durch verschiedene
klinische Studien bestätigt.
Die Behandlung über
fünf Jahre
hinweg reduziert das jährliche
Wiederauftreten der Erkrankung um 47% und die jährlichen Todesfälle um 26%,
und diese Reduktion ist ähnlich
in verschiedenen Altersgruppen. Auch verringert es das Auftreten
der Entwicklung von contra-lateralen Brusttumoren. TAM befindet sich
unter den am wenigsten toxischen antineoplastischen Mitteln, da
es aber in einigen Geweben estrogenische Eigenschaften hat, erhöht es das
Risiko von endometriellem Krebs 3-fach.
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Der Hormon-Rezeptorstatus sollte
vor Beginn der TAM Behandlung getestet werden, da nur eine Gruppe
von Patienten von dieser Therapie profitieren wird. Zu diesem Zweck
werden der ER(Estrogenrezeptor)- und PR(Progesteronrezeptor)-Status
routinemäßig in allen
Patienten getestet und als prädiktive
Marker einer Antwort angesehen (ein prädiktiver Marker oder Faktor
ist jede Messung, die mit einer Antwort oder dem Fehlen einer Antwort
auf eine bestimmte Therapie assoziiert ist). Der ER-Status ist für die Antwort
bei Anschluß-TAM-Ansatz
und auch bei fortschreitender metastatischer Erkrankung prädiktiv.
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Nur ER positive und/oder PR positive
Patientinnen erhalten TAM und die verbleibenden 10% Patientinnen
erhalten Chemotherapie. Das Problem ist, daß die Behandlung nur bei einer
Untergruppe von Hormonrezeptor-positiven Patientinnen effektiv ist
und daß eine
kleine Untergruppe von ER-negativen Patientinnen anfänglich auf
TAM anzusprechen scheinen. Dann würde diese nicht ansprechende
Untergruppe nicht nur von der TAM Behandlung nicht profitieren,
sondern diese würde
gegenteilige Effekte hervorrufen, und diese würde nicht die Gelegenheit haben,
statt dessen eine Chemotherapie zu erhalten. Auf der anderen Seite
würde die ER-negative
Untergruppe, die von der Tamoxifen-Behandlung profitiert haben könnte, statt
dessen eine Chemotherapie erhalten. Mehrere verschiedene Tests sind
erhältlich,
um PR und ER zu messen, einschließlich biochemischer und IHC
(immun-histochemischer) Analyse, jedoch fehlt eine Standardisierung
von Färbemethoden
und ist inter-Laborvariabilität
vorhanden (Clin Cancer Res 2000, 6: 616–621).
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Im Augenblick werden verschiedene
prädiktive
Marker untersucht. Unter diesen zeigten hohe bcl-2-Spiegel eine
vielversprechende Korrelation mit der TAM-Therapieantwort in Patientinnen
mit metastatischer Erkrankung und verlängertem Überleben und fügten wertvolle
Informationen zu der ER-negativen Patientinnen-Untergruppe hinzu
(J Clin Oncology 1997, 15 5: 1916–1922; Endocrine, 2000, 13(1):
1–10.
Es bestehen in Konflikt stehende Hinweise im Hinblick auf den unabhängigen prädiktiven
Wert von c-erbB2 (Her2/neu) für
die Expression in Patientinnen mit fortgeschrittenem Brustkrebs,
die eine weitere Evaluierung und Verifizierung erfordern (British
J of Cancer 1999, 79 (7/8): 1220–1226; J Natl Cancer Inst,
1998,90 (21): 1601–1608).
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Andere prädiktive Marker schließen SRC-1
(Steroidrezeptor-Coaktivator-1), CGA-Gen Überexpression, Zellkinetiken
und S-Phase Fraktionstests (Breast Cancer Res and Treat, 1998, 48:
87–92;
Oncogene 2001, 20: 6955–6959)
ein. Kürzlich
erwiesen sich uPA (Urokinase-Typ
Plasminogenaktivator) und PAI-1 (Plasminogenaktivator Inhibitor
Typ 1) zusammen als brauchbar, um eine Untergruppe von Patientinnen
zu definieren, die eine schlechtere Prognose aufweisen und die von
einer Anschluß-systemischen
Therapie profitieren würden
(J Clini cal Oncology, 2002, 20 n° 4).
Alle diese Marker erfordern noch weitere Untersuchungen in durchzuführenden
Studien, da keiner von diesen bisher ein validierter Antwortmarker
ist.
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Das Gen MSMB (Zugangsnummer NM_002443)
wurde auf 10q11.2 kartiert. Es kodiert das beta-Microseminoprotein
(MSP), das Eines der hauptsächlich
durch die Prostata sekretierten Proteine ist. Weiterhin könnte es
als ein diagnostischer Marker für
Prostatakrebs brauchbar sein. Unter der Verwendung von mRNA Analyse
wurden niedrige Spiegel von beta-MSP mRNA Expression und Protein
mit dem Fortschreiten unter endokriner Therapie in Zusammenhang
gebracht und es wurde postuliert, daß es vielleicht für potentiell
aggressiven Prostatakrebs Indikativ sein könnte (siehe Sakai H, Tsurusaki
T, Kanda S, Koji T, Xuan JW, Saito Y. 'Prognostic significance of beta-microseminoprotein
mRNA expression in prostate cancer.' Prostate. 1999 Mar 1;38(4): 278–84.).
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Das Gen TP53 (Zugangsnummer NM_000546)
kodiert für
das Protein p53, eines des am besten charakterisierten Tumorsuppressor-Proteine.
Das p53 Protein fungiert als ein Transkriptionsfaktor und dient
als ein Schlüsselregulator
des Zellzyklus. Die Inaktivierung dieses Gens durch Mutation unterbricht
den Zellzyklus, der, im Gegenzug, bei der Tumorbildung hilft. Die
Methylierungsveränderungen,
die mit diesem Gen assoziiert sind, wurden als signifikant bei Brustkrebs
berichtet. Saraswati et. al. (Nature 405, 974–978 (22 Jun 2000) "Compromised HOXA5
function can limit p53 expression in human breast tumours" berichteten, daß niedrige Spiegel
von p53 mRNA in Brusttumoren mit der Methylierung des HOXA5 Gens
korreliert waren. Das Produkt des HOX5A Gens bindet an die Promotorregion
des p53 und vermittelt die Expression des Gens. Die Methylierung
der Promotorregion des p53-Gens selber wurde berichtet (Kang JH,
Kim SJ, Noh DY, Park IA, Choe KJ, Yoo OJ, Kang HS. "Methylation in the
p53 promoter is a supplementary route to breast carcinogenesis: correlation
between CpG methylation in the p53 promoter and the mutation of
the p53 gene in the progression from ductal carcinoma in situ to
invasive ductal carcinoma." Lab
Invest. 2001 Apr;81(4): 573–9.).
Es wurde dort gezeigt, daß CpG-Methylierung
in der p53 Promotorregion in Brustkrebs gefunden wird und es wurde
die Hypothese aufgestellt, daß die
Methylierung in der p53 Promotorregion ein alternativer Signalweg
für das
neoplastische Fortschreiten in Brusttumoren sein kann. Es wurde
beobachtet, daß die
Behandlung mit Tamoxifen den Spiegel der Expression des p53-Gens
abnehmen läßt (Farczadi
E, Kaszas I, Baki M, Szende B. 'Changes in
apoptosis, mitosis, Her-2, p53 and Bcl2 expression in breast carcinomas
after short-term tamoxifen treatment.' Neoplasma. 2002;49(2): 101–3).
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Das Gen CYP2D6 (Zugangsnummer: NM_000106)
ist ein Mitglied der menschlichen Cytochrom P450 (CYP) Superfamilie.
Viele Mitglieder dieser Familie sind am Wirkstoff-Metabolismus beteiligt
(siehe zum Beispiel Curr Drug Metab. 2002 Jun; 3(3): 289–309. Rodrigues
AD, Rushmore TH.), von diesen ist Cytochrom P450 CYP2D6 eines der
am extensivsten charakterisierten. Es ist hoch polymorph (mehr als
70 Variationen des Gens wurden beschrieben), und die allelische
Variation kann sowohl zu erhöhter
als auch verringerter enzymatischer Aktivität führen. Das CYP2D6 Enzym katalysiert
den Stoffwechsel einer großen
Zahl von klinisch wichtigen Wirkstoffen, einschließlich antidepressiven
Mitteln, Neuroleptika, einigen Antiarrhythmika (Nature 1990 Oct
25;347(6295): 773–6
Identification of the primary gene defect at the cytochrome P450
CYP2D locus.Gough AC, Miles JS, Spurr NK, Moss JE, Gaedigk A, Eichelbaum
M, Wolf CR.).
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Das Gen PTGS2 (Zugangsnummer NM_000963)
kodiert für
ein induzierbares Isozym der Prostaglandin-Endoperoxidsynthase (Prostaglandin-Endoperoxidsynthase
2). Die aberrante Methylierung dieses Gens wurde in Lungenkarzinomen
identifiziert (Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2002 Mar;11(3):
291–7
Hierarchical clustering of lung cancer cell lines using DNA methylation
markers.Virmani AK, Tsou JA, Siegmund KD, Shen LY, Long TI, Laird
PW, Gazdar AF, Laird-Offringa IA.).
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Das Gen PSA (Zugangsnummer NM_021154)
sollte nicht mit dem auch als PSA bezeichneten Gen (Zugangsnummer
NM_001648) verwechselt werden, das für Prostata spezifisches Antigen
kodiert, und dessen technisch korrekter Name Kallikrein 3 ist. Das
Gen PSA kodiert für
das Protein Phosphoserinaminotransferase, die das den zweiten Schritt
katalysierende Enzym im Serine-Biosyntheseweg darstellt. Veränderungen in
den Genexpressionsspiegeln wurden durch mRNA-Expressionsanalyse
verfolgt und Hochregulation des Gens wurde in Colonkarzinomen in
einer Studie mit 6 Proben identifiziert (Electrophoresis 2002 Jun;23(11): 1667–76 mRNA
differential display of gene expression in colonic carcinoma.Ojala
P, Sundstrom J, Gronroos JM, Virtanen E, Talvinen K, Nevalainen
TJ.).
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Das Gen CGA (Zugangsnummer NM_000735)
kodiert für
das alpha-Polypeptid der Glycoproteinhormone. Weiterhin wurde es
als ein Estrogenrezeptor alpha (ER alpha)-responsives Gen identifiziert,
und Überexpression
des Gens wurde mit ER-Positivität
in Brusttumoren in Zusammenhang gebracht. Bieche et. al. untersuchten
mRNA-Spiegel des Gens in 125 ER alpha-positiven post-menopausalen
Brustkrebspatientinnen, die mit primärer Chirurgie behandelt wurden,
gefolgt durch Anschluß-Tamoxifentherapie.
Anfängliche
Ergebnisse zeigten signifikante Verbindungen zwischen CGA-Gen-Überexpression
und Scarff-Bloom-Richardson histopathologischem
Grad I+II und Progesteron- und Estrogenrezeptor Positivität, was vermuten
ließ,
daß CGA
ein Marker niedriger Tumoraggressivität ist ('Identification of CGA as a Novel Estrogen
Receptor-responsive Gene in Breast Cancer: An Outstanding Candidate
Marker to predict the Response to Endocrine TherapyCancer Research' 61, 1652–1658, February
15, 2001. Ivan Bièche,
Béatrice
Parfait, Vivianne Le Doussal, Martine Olivi, Marie-Christine Rio, Rosette
Lidereau and Michel Vidaud). Die weitere mRNA Expressionsanalyse
verband die CGA-Expressionsspiegel mit Tamoxifenantwort, es wurde
postuliert, daß,
wenn mit der Analyse des Markers ERBB2 (ein schlecht antwortender
Marker) verbunden, das Gen möglicherweise
als ein prädiktiver
Marker der Tamoxifen-Empfindlichkeit in Brustkrebs geeignet wäre (Oncogene
2001 Oct 18;20(47): 6955–9
The CGA gene as new predictor of the response to endocrine therapy
in ER alpha-positive postmenopausal breast cancer patients. Bieche
I, Parfait B, Nogues C, Andrieu C, Vidaud D, Spyratos F, Lidereau
R, Vidaud M.). Die Autoren stellten signifikante Daten zur Verfügung, die
die Expression des Gens CGA mit der Tamoxifen-Behandlungsantwort
in Zusammenhang brachten. Jedoch waren diese Analysen alle auf die
Analyse relativer Spiegel von mRNA-Expression fokussiert. Dies stellt
weder ein Verfahren dar, das für
ein mittleres- oder High-Throughput-Format geeignet ist, noch eine
geeignete Basis für
die Entwicklung eines klinischen Tests.
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Das Gen FGFR1 (Zugangsnummern NM_000604 & NM_015850) kodiert
für den
Heparinbindenden Wachstumsfaktorrezeptor, auch als der Fibroblasten
Wachstumsfaktorrezeptor 1 bekannt. Es wurde angenommen, daß die Überexpression
von FGFR1 mit kleinen, gutdifferenzierten diploiden Tumoren assoziiert
zu sein scheint (Int J Cancer 1994 Nov 1;59(3): 373–8 Expression
of the FGFR1 gene in human breast-carcinoma cells. Jacquemier J,
Adelaide J, Parc P, Penault-Llorca F, Planche J, deLapeyriere O,
Birnbaum D.).
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Beschreibung
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Die vorliegenden Erfindung stellt
Verfahren und Nukleinsäuren
zur Evaluierung der Antwort eines Patienten mit einer Zell-proliferativen
Erkrankung der Brustgewebe auf die Behandlung mit dem Wirkstoff
Tamoxifen zur Verfügung.
Unter der Verwendung der hier beschriebenen Verfahren und Nukleinsäuren, können statistisch
signifikante Modelle der Patienten- Empfindlichkeit auf das Behandlungsschema
entwickelt werden und dazu verwendet werden, Patienten und behandelnden Ärzten bei
der Bestimmung von Behandlungsoptionen zu assistieren. Das beschriebene
Verfahren soll dazu verwendet werden, die Eignung von Tamoxifen
als eine Therapie für
Patienten, die an einer Zell-proliferativen Erkrankung der Brustgewebe
leiden, zu ermitteln. Daher wird die vorliegende Erfindung als die
Probleme reduzierend angesehen, die mit der augenblicklichen Behandlungsantwort
assoziiert sind.
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Unter der Verwendung der wie hier
beschriebenen Verfahren und Nukleinsäuren, kann die Patienten-Empfindlichkeit
vor oder während
der Behandlung mit dem Wirkstoff Tamoxifen auf eine Zell-proliferativen Erkrankung
der Brustgewebe evaluiert werden, um dem Patienten und dem behandelnden
Arzt somit wichtige Information im Hinblick auf die Risiken, Nachteile
und Vorteile, die mit der Tamoxifen-Behandlung assoziiert sind,
zur Verfügung
zu stellen. Es wird daher ersichtlich sein, daß die hier beispielhaft dargestellten
Verfahren und Nukleinsäuren
dazu dienen können,
die Lebensqualität
eines Patienten und Unstimmigkeiten des Behandlungserfolgs zu verbessern,
indem sowohl dem Patienten als auch dem behandelnden Arzt eine genauere
Ermittlung der Behandlungsoptionen des Patienten ermöglicht werden.
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Das Ziel der Erfindung wird mittels
der Analyse der Methylierungsmuster eines oder einer Kombination der
Gene, ausgewählt
aus der Gruppe FGFR1, PSA, CGA, PTGS2, MSMB, TP53 und CYP2D6 (siehe
Tabelle 1) und/oder deren regulatorischen Regionen gelöst. Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure eines
oder einer Kombination der Gene, ausgewählt aus der Gruppe FGFR1, PSA,
CGA, PTGS2, MSMB, TP53 und CYP2D6 mit einem Reagenz oder einer Reihe
von Reagenzien in Kontakt gebracht wird, die in der Lage sind, zwischen
methylierten und nicht-methylierten CpG-Dinukleotiden innerhalb
der genomischen Sequenz von Interesse zu unterscheiden.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zur Ermittlung von genetischen und/oder epigenetischen Parameter
von genomischer DNA zur Verfügung.
Das Verfahren dient der verbesserten Behandlung und Überwachung
von Brustzell-proliferativen Erkrankungen durch ein Ermöglichen
der genauen Vorhersage der Antwort eines Patienten auf eine Behandlung
mit dem Wirkstoff Tamoxifen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ermöglicht
das Verfahren der Erfindung die Differenzierung zwischen Patienten,
die auf die Therapie mit dem Wirkstoff Tamoxifen reagieren und denjenigen,
die dies nicht tun.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann für die Analyse
einer großen
Vielzahl von Zellproliferativen Erkrankungen der Brustgewebe verwendet
werden, einschließlich,
jedoch nicht begrenzt auf, ductale Karzinome in situ, lobuläre Karzinome,
kolloidale Karzinome, tubuläre
Karzinome, medulläre
Karzinome, metaplastische Karzinome, intraductale Karzinome in situ,
lobuläre
Karzinome in situ und papilläre
Karzinome in situ.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere
für die
Vorhersage der Antwort auf Tamoxifen-Behandlung in den zwei hauptsächlichen
Anwendungen von Tamoxifen brauchbar. In einer Ausführungsform
wird das Verfahren bei Patienten angewendet, die Tamoxifen-Behandlung in einem
Anschluß-Ansatz
erhalten (d.h. als sekundäre
Behandlung einer primären
Behandlung, wie zum Beispiel Chirurgie), wie in 1 dargestellt. Solch eine Behandlung
wird oft Patienten verschrieben, die an Phase 1 bis 3-Karzinomen
leiden. In dieser Ausführungsform
werden Ansprechende als diejenigen definiert, die keinen nachweisbaren
Rückfall des
Brustkrebs innerhalb einer angegebenen Zeitdauer aufweisen, nicht-Ansprechende
sind diejenigen, die einen Rückfall
innerhalb der Zeitdauer aufweisen. In dieser Ausführungsform
ist es bevorzugt, daß die
Zielnukleinsäure
ein Gen oder eine Kombination von Genen ist/sind, die ausgewählt sind
aus der Gruppe PTGS2, MSMB, TP53 und CYP2D6 und/oder deren regulatorische
Regionen. In dieser Ausführungsform
der Erfindung ist es bevorzugt, daß das Verfahren gemäß der Erfindung
nur bei den Patienten angewendet wird, die Estrogen und/oder Progesteronrezeptormarker
sind.
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In einer weiteren Ausführungsform
wird das Verfahren bei Patienten angewendet, die an einem metastatischen
Krebs leiden, wobei Tamoxifen die primäre Behandlung ist, wie in 2 dargestellt. Solch eine
Behandlung wird oft Patienten verschreiben, die an Karzinomen späterer Phasen
leiden, wobei insbesondere Metastasen aufgetreten sind. In dieser
Ausführungsform
ist es bevorzugt, daß die
Zielnukleinsäure
ein oder eine Kombination von Genen ist, ausgewählt aus der Gruppe PTGS2, MSMB,
TP53 und CYP2D6 und/oder deren regulatorischen Regionen. In dieser
Ausführungsform
sind Ansprechende diejenigen, die in eine teilweise oder vollständige Remission
eintreten, d.h. Subjekte, deren Krebs sich auf nicht nachweisbare
Spiegel rückbildet, im
Gegensatz zu denjenigen, deren Erkrankungen weiter metastasieren
oder oberhalb nachweisbarer Spiegel verbleiben. Dies Verfahren stellt
weitere Verbesserungen über
den Stand der Technik zur Verfügung,
da das Verfahren bei jedem Subjekt angewendet werden kann, unabhängig von
dem Estrogen- und/oder Progesteronrezeptor-Status. Daher wird in einer bevorzugten
Ausführungsform
von dem Subjekt nicht gefordert, daß es auf Estrogen- oder Progesteronrezeptor-Status
getestet wurde. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird das Verfahren bei Subjekten angewendet, die
keine Chemotherapie erhalten haben.
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Weiterhin ermöglicht das Verfahren die Analyse
von Cytosin-Methylierungen und „Single Nucleotide Polymorphisms" innerhalb der Gene.
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Eine Aufgabe der Erfindung wird mittels
der Analyse der Methylierungsmuster der Gene FGFR1, PSA, CGA, PTGS2,
MSMB, TP53 und CYP2D6 und/oder deren regulatorischen Regionen gelöst, in einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Sequenzen im wesentlichen SEQ ID Nrn.: 15, 31, 32,
63, 40, 9 und 33 und dazu komplementäre Sequenzen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird das Verfahren durch in Kontakt bringen der Nukleinsäuresequenzen
in einer biologischen Probe, wobei die Probe von einem Subjekt erhalten
wurde, mit mindestens einem Reagenz oder einer Serie von Reagenzien,
wobei das Reagenz oder einer Serie von Reagenzien zwischen methylierten
und nicht-methylierten CpG-Dinukleotiden innerhalb der Zielnukleinsäure unterscheidet,
gelöst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren die folgenden Schritte:
In einem ersten Schritt
des Verfahrens muß die
genomische DNA-Probe aus Quellen isoliert werden, wie zum Zelllinien,
histologischen Schnitten, Biopsien, in Paraffin eingebettetes Gewebe,
Brustgewebe, Blut, Plasma, lymphatischer Flüssigkeit, lymphatischem Gewebe,
Ductus-Zellen, Ductus-Lavageflüssigkeit,
Brustwarzen-Austrittsflüssigkeit,
Knochenmark und Kombinationen davon. Die Extraktion kann durch Mittel
erfolgen, die Standard für
den Fachmann sind, diese schließen
die Verwendung von Detergenzlysaten, die Beschallung und Vortexen
mit Glasperlen ein. Sobald die Nukleinsäuren extrahiert wurden, wird
die genomische Doppelstrang-DNA in der Analyse verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
kann die DNA vor dem nächsten
Schritt des Verfahrens gespalten werden, dies kann durch jedes Mittel
geschehen, das Standard im Stand der Technik ist, insbesondere, jedoch
nicht begrenzt auf, mit Restriktions-Endonukleasen.
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Im zweiten Schritt des Verfahrens
wird die genomische DNA Probe auf solch eine Weise behandelt, daß die Cytosinbasen,
die an der 5'-Position
nicht-methyliert sind, zu Uracil, Thymin oder einer anderen Base konvertiert
werden, die im Hinblick auf das Hybridisierungsver halten verschieden
von Cytosin ist. Dies wird hier im folgenden als „Vorbehandlung" verstanden.
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Die oben beschriebene Behandlung
der genomischen DNA wird bevorzugterweise mit Bisulfit (Sulfit, Disulfit)
und anschließender
alkalischer Hydrolyse durchgeführt,
die zu einer Konversion von nicht-methylierten Cytosin-Nukleobasen
zu Uracil oder einer anderen Base führt, die sich im Hinblick auf
das Basenpaarungsverhalten von Cytosin unterscheidet. Falls eine
Bisulfitlösung
für die
Reaktion verwendet wird, findet eine Addition an den nicht-methylierten Cytosinbasen
statt. Darüber
hinaus muß ein
denaturierendes Mittel oder ein Lösungsmittel sowie ein Radikalfänger vorhanden
sein. Eine anschließende
alkalische Hydrolyse ermöglicht dann
die Konversion von nicht-methylierten Cytosin-Nukleobasen zu Uracil.
Die konvertierte DNA wird dann für
den Nachweis von methylierten Cytosinen verwendet.
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Fragmente der vorbehandelten DNA
werden unter der Verwendung von Sets von Primer-Oligonukleotiden und einer bevorzugterweise
hitzebeständigen
Polymerase amplifiziert. Aus statistischen und praktischen Überlegungen
werden bevorzugterweise mehr als zehn verschiedene Fragmente, die
eine Länge
von 100–2000
Basenpaaren aufweisen, amplifiziert. Die Amplifikation von verschiedenen
DNA-Segmenten kann gleichzeitig in ein- und demselben Reaktionsgefäß durchgeführt werden.
Gewöhnlicherweise
wird die Amplilfikation mittels einer Polymerasekettenreaktion (PCR)
durchgeführt.
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Der Aufbau solcher Primer ist dem
Durchschnittsfachmann ersichtlich. Diese sollten mindestens zwei Oligonukleotide
enthalten, deren Sequenzen jeweils revers komplementär oder identisch
zu einem mindestens 18 Basenpaare langen Segment der Basensequenzen
sind, die in dem Appendix angegeben sind SEQ ID Nrn.: SEQ ID Nrn.:
15, 31, 32, 63, 40, 9, 33, 109, 110, 234, 235, 141, 142 267, 268,
143, 144, 269, 270, 205, 206, 331, 332, 159, 160, 285, 286, 97,
98, 223, 224, 145, 146, 271 und 272. Die Primeroligonukleotide sind bevorzugterweise
dadurch gekennzeichnet, daß sie
keine CpG-Dinukleotide enthalten. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
des Verfahrens wird die Sequenz der Primeroligonukleotide so aufgebaut,
um selektiv nur an die Brustzell-spezifische DNA von Interesse zu
annealen und diese zu amplifizieren, wodurch die Amplifikation von
Hintergrund- oder nicht relevanter DNA minimiert wird. Im Kontext
der vorliegenden Erfindung soll Hintergrund DNA genomische DNA bedeuten,
die kein relevantes Gewebe-spezifisches Methylierungsmuster aufweist,
wobei in diesem Fall die relevanten Gewebe Brustgewebe sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es bevorzugt, daß während der
Amplifikation mindestens ein Primeroligonukleotid an eine feste
Phase gebunden ist. Die verschiedenen Oligonukleotid- und/oder PNA-Oligomersequenzen
können
auf einer festen Phase in Form eines rechteckigen oder hexagonalen
Gitters angeordnet werden, wobei die feste Phasen-Oberfläche bevorzugterweise
aus Silizium, Glas, Polystyrol, Aluminium, Stahl, Eisen, Kupfer,
Nickel, Silber oder Gold zusammengesetzt ist, wobei aber auch andere
Materialien, wie zum Beispiel Nitrozellulose oder Plastikmaterialien
als möglich
verwendet werden können.
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Die mittels Amplifikation erhaltenen
Fragmente können
einen direkt oder indirekt nachweisbaren Marker tragen. Bevorzugt
sind Marker in Form von Fluoreszenzmarkern, Radionukliden oder ablösbaren Molekülfragmenten,
die eine typische Masse aufweisen, die in einem Massenspektrometer
nachgewiesen werden können,
wobei es bevorzugt ist, daß die
Fragmente, die produziert werden, eine einzelne positive oder negative
Nettoladung zum besseren Nachweis im Massenspektrometer aufweisen.
Der Nachweis kann durchgeführt
werden und visualisiert werden mittels Matrix-assistierter Laserdesorptions-/Inonisierungs-Massenspektrometrie
(MALDI) oder unter der Verwendung von Elektronenspray-Massenspektrometrie
(ESI).
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Im nächsten Schritt werden die Nukleinsäureamplifikate
analysiert, um den Methylierungsstatus der genomischen DNA vor der
Behandlung zu bestimmen.
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Die post-Behandlungsanalyse der Nukleinsäuren kann
unter der Verwendung alternativer Verfahren durchgeführt werden.
Verschiedene Verfahren für
die Methylierungsstatus-spezifische
Analyse der behandelten Nukleinsäuren
sind unten beschrieben, andere alternative Verfahren werden dem
Durchschnittsfachmann ersichtlich sein.
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Unter der Verwendung verschiedener
im Stand der Technik bekannter Verfahren kann die Analyse während des
Amplifikationsschritts des Verfahrens durchgeführt werden. In einer solchen
Ausführungsform kann
der Methylierungsstatus von ausgewählten CpG-Positionen innerhalb
der Gene FGFR1, PSA, CGA, PTGS2, MSMB, TP53 und CYP2D6 und/oder
deren regulatorischen Regionen durch die Verwendung von Methylierungs-spezifschen
Primeroligonukleotiden nachgewiesen werden. Diese Technik wurde
in U.S.-Patent 6,265,171 von Herman beschrieben. Die Verwendung
von Methylierungsstatus-spezifischen Primern für die Amplifikation von mit
Bisulfit behandelter DNA ermöglicht
die Differenzierung zwischen methylierten und nicht-methylierten
Nukleinsäuren.
MSP-Primerpaare enthalten mindestens einen Primer, der an ein Bisulfit
behandeltes CpG-Dinukleotid hybridisiert. Daher umfaßt die Sequenz
des Primers mindestens ein CG-, TG- oder CA-Dinukleotid. Für nicht-methylierte
DNA spezifische MSP-Primer enthalten ein „T" an der 3'-Position der C-Position im CpG. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es daher bevorzugt, daß die Basensequenz der Primer
erforderlicherweise eine Sequenz umfaßt, die eine Länge von
mindestens 9 Nukleotiden aufweist, die an eine vorbehandelte Nukleinsäuresequenz
gemäß SEQ ID
Nrn.: 109, 110, 234, 235, 141, 142 267, 268, 143, 144, 269, 270,
205, 206, 331, 332, 159, 160, 285, 286, 97, 98, 223, 224, 145, 146,
271 oder 272 und dazu komplementären
Sequenzen hybridisiert, wobei die Basensequenz der Oligomere mindestens
ein CG-, TG- oder CA-Dinukleotid umfaßt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens kann
der Methylierungsstatus der CpG-Positionen mittels Hybridisierungsanalyse
bestimmt werden. Bei dieser Ausführungsform
des Verfahrens werden die im zweiten Schritt erhaltenen Amplifikate
an eine Anordnung oder ein Set von Oligonukleotiden und/oder PNA-Sonden
hybridisiert. In diesem Kontext findet die Hybridisierung auf die
wie folgt beschriebenen Weise statt. Das Set von Sonden, das während der
Hybridisierung verwendet wird, setzt sich bevorzugterweise aus mindestens
4 Oligonukleotiden oder PNA-Oligomeren zusammen. Im Verfahren dienen
die Amplifikate als Sonden, die an Oligonukleotide hybridisieren,
die vorher an eine feste Phase gebunden wurden. Die nicht-hybridisierten Fragmente
werden anschließend
entfernt. Die Oligonukleotide enthalten mindestens eine Basensequenz,
die eine Länge
von 10 Nukleotiden aufweist, die revers komplementär oder identisch
ist zu einem Segment der Basensequenzen, die im Appendix angegeben
sind, wobei das Segment mindestens ein CpG- oder ein TpG-Dinukleotid
enthält.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform
ist das Cytosin des CpG-Dinukleotids, oder im Fall von TpG das Thiamin,
das 5. bis 9. Nukleotid vom 5'-Ende
des 10-mers. Ein Oligonukleotid existiert für jedes CpG- oder TpG-Dinukleotid.
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Die nicht hybridisierten Amplifikate
werden dann entfernt. Im letzten Schritt des Verfahrens werden die hybridisierten
Amplifikate nachgewiesen. In diesem Kontext ist es bevorzugt, daß an die
Amplifikate angebrachte Marker an jeder Position der festen Phase
identifizierbar sind, an der eine Oligonukleotidsequenz lokalisiert
ist.
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In einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens kann der Methylierungsstatus der CpG-Positionen mittels
Oligonukleotidsonden ermittelt werden, die an die behandelte DNA
zusammen mit den PCR-Amplifikationsprimern hybridisiert werden (wobei
die Primer entweder Methylierungs-spezifisch oder Standard sein
können).
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
dieses Verfahrens ist die Verwendung von Fluoreszenz-basierter Echtzeit-Quantitativer-PCR
(Heid et al., Genome Res. 6: 986–994, 1996), die eine dual-markierte
fluoreszente Oligonukleotidsonde verwendet (TaqMan
TMPCR,
unter der Verwendung eines ABI Prism 7700 Sequenznachweissystems,
Perkin Elmer Applied Biosystems, Foster City, California). Die TaqMan
TMPCR-Reaktion nutzt die Verwendung eines
nicht-verlängerbaren
Untersuchungs-Oligonukleotids, das TaqMan
TM-Sonde
genannt wird und das so aufgebaut ist, um an eine GpC-reiche Sequenz
zu hybridisieren, die zwischen den Vorwärts- und Rückwärts-Amplifikationsprimern lokalisiert
ist. Die TaqMan
TM-Sonde umfaßt weiterhin
eine fluoreszente „Reportergruppe" und eine „Quenchergruppe", die kovalent an
Linkergruppen gebunden sind (z. B. Phosphoramidite), die an die
Nukleotide des TaqMan
TM-Oligonukleotids
angebracht sind. Zur Analyse von Methylierung innerhalb von Nukleinsäuren im
Anschluß an
die Bisulfitbehandlung ist es erforderlich, daß die Sonde Methylierungs-spezifisch
ist, wie in
U.S. 6,331,393 (hier
durch Bezugnahme mit aufgenommen) beschrieben ist, was auch als
MethylLight-Test bekannt ist. Variationen der TaqMan
TM-Nachweismethodologie,
die ebenfalls zur Verwendung mit der beschriebenen Erfindung brauchbar
sind, schließen
die Verwendung von dualer Sondentechnologie (Lightcycler
TM) oder fluoreszenten Amplifikationsprimern
(Sunrise
TM-Technologie) ein. Diese beiden
Techniken können
auf eine geeignete Weise an die Verwendung mit Bisulfit behandelter
DNA angepaßt
werden, und darüber
hinaus zur Methylierungsanalyse innerhalb von CpG-Dinukleotiden.
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Ein weiter geeignetes Verfahren zur
Verwendung von Sonden-Oligonukleotiden zur Bestimmung von Methylierung
durch Analyse von Bisulfit-behandelten Nukleinsäuren ist die Verwendung von
blockierenden Oligonukleotiden. Die Verwendung von solchen Oligonukleotiden
wurde in BioTechniques 23(4), 1997, 714–720 D. Yu, M. Mukai, Q. Liu,
C. Steinman beschrieben. Blockierende Oligonukleotidsonden werden
an die Bisulfit-behandelte Nukleinsäure gemeinsam mit den PCR-Primern
hybridisiert. Die PCR-Amplifikation der Nukleinsäure bricht an der 5'-Position der blockierenden
Sonden ab, wodurch die Amplifikation einer Nukleinsäure unterdrückt wird,
wenn die komplementäre
Sequenz zu der blockierenden Son de vorhanden ist. Die Sonden können so
aufgebaut sein, um an die Bisulfit-behandelte Nukleinsäure auf
einen Methylierungsstatus-spezifische Weise zu hybridisieren. Zum
Beispiel würde
für den
Nachweis von methylierten Nukleinsäuren innerhalb einer Population
von nicht-methylierten Nukleinsäuren
eine Unterdrückung
der Amplifikation von Nukleinsäuren,
die an der fraglichen Position nicht-methyliert sind, durch die
Verwendung von blockierenden Sonden bewirkt werden, die ein „CG" an der fraglichen
Position umfassen, im Gegensatz zu einem „CA".
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird der Nachweis des Methylierungsstatus der CpG-Positionen
durch die Verwendung von Templat-gesteuerter Oligonukleotidverlängerung
durchgeführt,
wie zum Beispiel MS-SNuPE, wie durch Gonzalgo und Jones (Nucleic
Acids Res. 25: 2529–2531)
beschrieben.
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In einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens wird die Bestimmung des Methylierungsstatus der CpG-Positionen
durch Sequenzierung und anschließende Sequenzanalyse des im
zweiten Schritt des Verfahrens erzeugten Amplifikats ermöglicht (Sanger
F., et al., 1977 PNAS USA 74: 5463–5467).
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
ein Verfahren zur Analyse des Methylierungsstatus von genomischer
DNA ohne den Bedarf für
eine Vorbehandlung. In den ersten und zweiten Schritten des Verfahrens
muß die
genomische DNA-Probe erhalten und aus dem Gewebe oder zellulären Quellen
isoliert werden. Solche Quellen können Zellinien, histologische
Schnitte, Körperflüssigkeit
oder in Paraffin eingebettetes Gewebe einschließen. Die Extraktion kann durch
Mittel erfolgen, die Standard für
den Fachmann sind, diese schließen
die Verwendung von Detergenzlysaten, Beschallung und Vortexen mit
Glasperlen ein. Sobald die Nukleinsäuren extrahiert sind, wird
die genomische Doppelstrang-DNA in der Analyse verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
kann die DNA vor der Behandlung gespalten werden, dies kann durch
jedes Mittel erfolgen, das Standard im Stand der Technik ist, insbesondere
mit Restriktions-Endonukleasen. In dem dritten Schritt wird die
DNA dann mit einem oder mehreren Methylierungs-sensitiven Restriktionsenzymen
verdaut. Der Verdau wird so ausgeführt, daß die Hydrolyse der DNA an
der Restriktionsstelle für den
Methylierungszustand eines spezifischen CpG-Dinukleotids informativ
ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Restriktionsfragmente amplifiziert. In einer weiter bevorzugten
Ausführungsform
wird dies unter der Verwendung der Polymerase-Kettenreaktion durchgeführt.
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Im letzten Schritt werden die Amplifikate
nachgewiesen. Der Nachweis kann durch jedes Mittel das Standard
im Stand der Technik ist erfolgen, zum Beispiel, jedoch nicht begrenzt
auf, Gelelektrophorese-Analyse, Hybridisierungsanalyse, Inkorporation
von nachweisbaren Markern innerhalb des PCR-Produkts, DNA-Array-Analyse,
MALDI- oder ESI-Analyse.
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Das oben erwähnte Verfahren wird bevorzugterweise
zur Ermittlung von genetischen und/oder epigenetischen Parametern
von genomischer DNA angewendet.
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Um dieses Verfahren weiter zu ermöglichen,
stellt die Erfindung weiterhin die modifizierte DNA von Genen ausgewählt aus
der Gruppe von FGFR1, PSA, CGA, PTGS2, MSMB, TP53 und CYP2D6 zur
Verfügung,
sowie Oligonukleotide und/oder PNA-Oligomere zum Nachweis von Cytosin-Methylierungen
innerhalb dieser Gene. Die vorliegende Erfindung basiert auf der
Entdeckung, daß genetische
und epigenetische Parameter und insbesondere die Cytosin-Methylierungsmuster
der genomischen DNAs insbesondere für die verbesserte Behandlung
und die Überwachung
von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen geeignet sind.
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Die Nukleinsäuren gemäß der vorliegenden Erfindung
können
zur Analyse von genetischen und/oder epigenetischen Parametern von
genomischer DNA verwendet werden.
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Die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung
wird durch die Verwendung einer Nukleinsäure, die eine Sequenz mit einer
Länge von
mindestens 18 Basen der vorbehandelten genomischen DNA gemäß einer der
SEQ ID Nrn.: 109, 110, 234, 235, 141, 142 267, 268, 143, 144, 269,
270, 205, 206, 331, 332, 159, 160, 285, 286, 97, 98, 223, 224, 145,
146, 271 und dazu komplementärer
Sequenzen enthält,
gelöst.
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Die modifizierten Nukleinsäuren konnten
bis jetzt nicht mit der Ermittlung von Erkrankungsrelevanten genetischen
und epigenetischen Parametern in Zusammenhang gebracht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird weiterhin durch ein Oligonukleotid oder ein Oligomer zur Analyse
von vorbehandelter DNA zum Nachweis des genomischen Cytosin-Methylierungszustands
gelöst, wobei
das Oligonukleotid mindestens eine Basensequenz enthält, die
eine Länge
von mindestens 10 Nukleotiden aufweist, die an eine vorbehandelte
genomische DNA gemäß SEQ ID
Nrn.: 109, 110, 234, 235, 141, 142 267, 268, 143, 144, 269, 270,
205, 206, 331, 332, 159, 160, 285, 286, 97, 98, 223, 224, 145, 146,
271 und 272 hybridisiert. Die Oligomersonden gemäß der vorliegenden Erfindung
stellen wichtige und effektive Werkzeuge dar, die es zum ersten
Mal ermöglichen,
spezifische genetische und epigenetische Parameter während der Analyse
von biologischen Proben auf mit der Antwort eines Patienten auf
Tamoxifen-Behandlung zusammenhängende
Merkmale zu ermitteln. Die Oligonukleotide ermöglichen die verbesserte Behandlung
und Überwachung
von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen. Die Basensequenz
der Oligomere enthält
bevorzugterweise mindestens ein CpG- oder TpG-Dinukleotid. Die Sonden
können
auch in Form einer PNA (Peptid-Nukleinsäure) vorliegen,
die besonders bevorzugte Paarungseigenschaften aufweist. Insbesondere
bevorzugt sind Oligonukleotide gemäß der vorliegenden Erfindung,
in denen das Cytosin des CpG-Dinukleotids innerhalb des mittleren
Drittels des Oligonukleotids liegt, z. B. das 5.–9. Nukleotid vom 5'-Ende eines 13-mer-Oligonukleotids;
oder im Fall eines PNA-Oligomers
ist es bevorzugt, daß das
Cytosin des CpG-Dinukleotids das 4.–6. Nukleotid vom 5'-Ende des 9-mers
ist.
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Die Oligomere gemäß der vorliegenden Erfindung
werden normalerweise in so genannten „Sets" verwendet, die mindestens ein Oligomer
für jedes
der CpG-Dinukleotide innerhalb von SEQ ID Nrn.: 109, 110, 234, 235,
141, 142 267, 268, 143, 144, 269, 270, 205, 206, 331, 332, 159,
160, 285, 286, 97, 98, 223, 224, 145, 146, 271 und 272 enthalten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens werden die Oligomere gemäß SEQ ID Nrn.: 955, 955, 956,
956, 957, 957, 958, 958–964
zur Vorhersage der Antwort eines Subjekts auf Tamoxifen Behandlung
in einem Anschluß-Ansatz
verwendet. In einer weiter besonders bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens werden die Oligomere gemäß SEQ ID Nrn.: 941–954 zur
Vorhersage der Antwort eines Subjekts auf Tamoxifen Behandlung in
einem metastatischen Ansatz verwendet.
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Im Fall der Sets der Oligonukleotide
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es bevorzugt, daß mindestens
ein Oligonukleotid an eine feste Phase gebunden ist. Es ist weiter
bevorzugt, daß alle
Oligonukleotide eines Sets an eine feste Phase gebunden sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
weiter ein Set von mindestens 10 n (Oligonukleotiden und/oder PNA-Oligomeren),
die zum Nachweis des Cytosin-Methylierungszustands von genomischer
DNA verwendet werden, durch Analyse der Sequenz oder behandelten
Versionen der Sequenz (der Gene FGFR1, PSA, CGA, PTGS2, MSMB, TP53
und CYP2D6, wie im Sequenzprotokoll und in Tabelle 1 angegeben und
dazu komplementären
Sequenzen). Diese Sonden ermöglichen
eine verbesserte Behandlung und Überwachung
von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen.
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Das Set von Oligomeren kann auch
dazu verwendet werden, Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) durch
die Analyse der Sequenz oder behandelten Versionen der Sequenz (der
Gene FGFR1, PSA, CGA, PTGS2, MSMB, TP53 und CYP2D6, wie im Sequenzprotokoll
und in Tabelle 1 angegeben) nachzuweisen.
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Es wird einem Fachmann offensichtlich
sein, daß das
Verfahren gemäß der Erfindung
durch die Inkorporation von Markern und klinischen Indikatoren,
die im Stand der Technik bekannt sind, und augenblicklich als prädiktiv für den Ausgang
der Tamoxifen-Behandlung verwendet werden, verbessert und ergänzt werden wird.
Weiter bevorzugt schließen
diese Marker Knotenstatus, Alter, menopausalen Status, Phase, Estrogen- und
Progesteronrezeptoren ein Die Gene und/oder Nukleinsäuren, die
die Basis der vorliegenden Erfindung bilden, können dazu verwendet werden,
ein „Gen-Panel" zu bilden, d.h.
eine Sammlung, die die bestimmten genetischen Sequenzen der vorliegenden
Erfindung und/oder deren jeweilige informative Methylierungsstellen umfaßt. Die
Bildung von Gen-Panels ermöglicht
eine schnelle und spezifische Analyse von spezifischen Aspekten
der Brustkrebsbehandlung. Die wie in dieser Erfindung beschriebenen
und angewendeten Gen-Panels) können
mit überraschend
hoher Effizienz für
die Behandlung von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen durch
eine Vorhersage des Ausgangs der Behandlung mit dem Wirkstoff Tamoxifen
verwendet werden.
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Die Effizienz des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist verbessert, wenn bei Patienten angewendet, die nicht mit Chemotherapie
behandelt wurden. Daher ist dies eine besonders bevor zugte Ausführungsform
des Verfahrens, wobei das Verfahren zur Ermittlung von Subjekten
verwendet wird, die keiner Chemotherapie unterzogen wurden.
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Die Verbindung von multiplen CpG-Stellen
aus einer diversen Anordnung von Genen, erlaubt zusätzlich ein überraschend
hohes Ausmaß an
Sensitivität
und Spezifität
im Vergleich zu diagnostischen und Nachweis-Werkzeugen auf der Basis
von einzelnen Genen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es bevorzugt, daß eine
Anordnung von verschiedenen Oligonukleotiden und/oder PNA-Oligomeren
(ein sogenanntes „Array") durch die vorliegende
Erfindung zur Verfügung
gestellt wird, und auf eine solche Weise vorliegt, daß es ähnlich an
eine feste Phase gebunden ist. Diese Anordnung von verschiedenen
Oligonukleotid- und/oder
PNA-Oligomersequenzen kann dadurch gekennzeichnet sein, daß sie an
der festen Phase in Form eines rechteckigen oder hexagonalen Gitters
angeordnet ist. Die feste Phase-Oberfläche ist
bevorzugterweise aus Silizium, Glas, Polystyrol, Aluminium, Stahl,
Eisen, Kupfer, Nickel, Silber oder Gold zusammengesetzt. Jedoch
können
Nitrozellulose, sowie Plastikmaterialien, wie zum Beispiel Nylon,
die in Form von Pellets oder auch als Harz-Matrices vorliegen können, geeignete
Alternativen sein.
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Daher ist ein weiterer Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines an einem
Trägermaterial
befestigten Arrays zur verbesserten Behandlung und Überwachung
von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen. In diesem Verfahren
wird mindestens ein Oligomer gemäß der vorliegenden Erfindung
an eine feste Phase gekoppelt. Verfahren zur Herstellung solcher
Arrays sind bekannt, zum Beispiel aus U.S.-Patent 5,744,305 mittels
Festphasen-Chemie und photolabilen Schutzgruppen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden
Erfindung betrifft einen DNA-Chip für die verbesserte Behandlung
und Überwachung
von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen. Der DNA-Chip enthält mindestens
eine Nukleinsäure
gemäß der vorliegenden
Erfindung. DNA-Chips
sind zum Beispiel aus U.S.-Patent 5,837,832 bekannt.
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Darüber hinaus ist ein Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ein Kit, das zum Beispiel aus einem Bisulfit-enthaltenden
Reagenz, einem Set von Primeroligonukleotiden, das mindestens zwei
Oligomere, deren Sequenzen in jedem Fall einem 18 Basen langen Segment
der Basensequenzen, die in SEQ ID Nrn.: 109, 110, 234, 235, 141,
142 267, 268, 143, 144, 269, 270, 205, 206, 331, 332, 159, 160,
285, 286, 97, 98, 223, 224, 145, 146, 271 und 272 angegeben sind,
Oligonukleotiden und/oder PNA-Oligomeren sowie Anweisungen zur Durchführung und
Evaluierung des beschriebenen Verfahrens zusammengesetzt ist.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform
kann das Kit weiterhin Standardreagenzien zur Durchführung einer
CpG-Positions-spezifischen Methylierungsanalyse umfassen, wobei
die Analyse eine oder mehrere der vorliegenden Techniken umfaßt: MS-SNuPE,
MSP, Methyl light, Heavy Methyl und Nukleinsäuresequenzierung. Jedoch kann
ein Kit gemäß der vorliegenden
Erfindung auch nur einen Teil der oben genannten Komponenten enthalten.
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Die Oligomere gemäß der vorliegenden Erfindung
oder Arrays davon sowie ein Kit gemäß der vorliegenden Erfindung
sind für
die Anwendung bei der verbesserten Behandlung und Überwachung
von Brustzell- proliferativen Erkrankungen gedacht. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Verfahren bevorzugterweise für die Analyse von wichtigen
genetischen und/oder epigenetischen Parametern innerhalb genomischer DNA
verwendet, insbesondere zur Anwendung bei der verbesserten Behandlung
und Überwachung
von proliferativen Erkrankungen von Brustzellen.
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Die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
werden für
die verbesserte Behandlung und Überwachung
von proliferativen Erkrankung von Brustzellen durch Ermöglichen
von besser fundierten Behandlungsschemata verwendet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
darüber
hinaus die Diagnose und/oder Prognose von Ereignissen, die nachteilig
oder relevant für
die Patienten oder Individuen sind, in denen wichtige genetische
und/oder epigenetische Parameter innerhalb genomischer DNA – wobei
diese Parameter mittels der vorliegenden Erfindung erhalten wurden – mit einem
anderen Set von genetischen oder epigenetischen Parametern verglichen werden
können,
wobei die Unterschiede als Basis für die Diagnose und/oder Prognose
von Ereignissen dienen, die für
Patienten oder Individuen nachteilig oder relevant sind. Beispiele
solcher Parameter schließen
ein, sind jedoch nicht begrenzt auf, die Ermittlung von Estrogen-
und Progesteronmarkern.
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Unter dem Begriff "Hybridisierung" im Sinne der vorliegenden
Erfindung soll eine Bindung eines Oligonukleotids unter Ausbildung
einer Duplex-Struktur an eine vollständig komple mentäre Sequenz
im Sinne der Watson-Crick Basenpaarungen in der Proben-DNA verstanden
werden.
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"Genetische
Parameter" im Sinne
der vorliegenden Erfindung sind Mutationen und Polymorphismen von
genomischer DNA und zu ihrer Regulation weiterhin erforderliche
Sequenzen. Insbesondere werden als Mutationen Insertionen, Deletionen,
Punktmutationen, Inversionen und Polymorphismen und besonders bevorzugt
SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) bezeichnet.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung
soll der Begriff „Methylierungszustand" als das in einer
Nukleinsäure
von Interesse vorhandene Ausmaß an
Methylierung bedeutend verstanden werden, dies kann in absoluten
oder relativen Ausdrücken
geschehen, d.h. als ein Prozentsatz oder anderer numerischer Wert
oder durch Vergleich mit anderem Gewebe und das darin als hypermethyliert,
hypomethyliert oder als einen signifikant ähnlichen oder identischen Methylierungs-Status
aufweisend beschrieben ist.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung
soll der Begriff „regulatorische
Region" eines Gens
als Nukleinsäuresequenzen
bedeutend verstanden werden, die die Expression eines Gens beeinflussen.
Diese regulatorischen Regionen können
innerhalb, proximal oder distal des Gens lokalisiert sein. Diese
regulatorischen Regionen schließen
ein, sind jedoch nicht begrenzt auf, konstitutive Promotoren, Gewebs-spezifische
Promotoren, Entwicklungs-spezifische Promotoren, induzierbare Promotoren
und ähnliche.
Promotor-regulatorische Elemente können auch bestimmte Enhancer-Sequenzelemente
einschließen,
die die Transkriptions- oder Translations-Effizienz des Gens kontrollieren.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung
soll der Begriff "Chemotherapie" als die Verwendung
von Wirkstoffen oder chemischen Substanzen zur Behandlung von Krebs
bedeutend verstanden werden. Diese Definition schließt eine
Bestrahlungstherapie (Behandlung mit Strahlung hoher Energie oder
Partikeln), Hormontherapie (Behandlung mit Hormonen oder Hormon-Analoga (synthetischen
Substituten) und chirurgische Behandlung aus.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung
sind "epigenetische
Parameter" insbesondere
Cytosin-Methylierungen und weitere Modifikationen von DNA-Basen
genomischer DNA und Sequenzen, die weiter für deren Regulation benötigt werden.
Weitere epigenetische Parameter schließen beispielsweise die Acetylierung
von Histonen ein, die jedoch mit dem beschriebenen Verfahren nicht
direkt analysiert werden kann, sondern wiederum mit der DNA-Methylierung korreliert.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung
soll der Begriff "Anschluß-Behandlung" als eine Therapie
eines Krebspatienten unmittelbar im Anschluß an eine anfängliche
nicht chemotherapeutische Therapie, z.B. Chirurgie bedeutend verstanden
werden. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird die Anschluß-Therapie
unter der Verwendung von Tamoxifen durchgeführt. Im allgemeinen ist es
der Zweck einer Anschluß-Therapie,
ein signifikant geringeres Risiko des Rückfalls, verglichen zu keiner
Anschluß-Therapie,
zur Verfügung
zu stellen.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung
soll der Begriff "Estrogen-
und/oder Progesteronrezeptor positiv" als Zellen bedeutend verstanden werden,
die auf ihrer Oberfläche
Rezeptoren exprimieren, die gegenüber der Bindung von Estrogenen
und/oder Progesteronen empfindlich sind.
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Im folgenden wird die Erfindung genauer
auf der Basis der Sequenzen, Figuren und Beispiele beschrieben werden,
ohne darauf begrenzt zu werden.
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1 zeigt
eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Die X-Achse
zeigt die Tumormasse(n), wobei die Linie '2' die
Grenze der Nachweisbarkeit anzeigt. Die Y-Achse zeigt die Zeit an. Dem zufolge
zeigt die Figur ein vereinfachtes Modell der Tamoxifen-Behandlung eines
Phase 1–3
Brusttumors, wobei die primäre
Behandlung Chirurgie war (an Punkt 1), gefolgt von einer
Anschluß-Therapie
mit Tamoxifen. In einem ersten Szenario ist ein Ansprechender auf
die Behandlung (4) als unterhalb der Grenze der Nachweisbarkeit
während
der Dauer der Beobachtung verbleibend gezeigt. Ein nicht-Ansprechender
auf die Behandlung (5) weist eine Periode von Erkrankungs-freiem Überleben
auf (2), gefolgt von einem Wiederauftreten, als die Karzinommasse
die Grenze der Nachweisbarkeit erreicht.
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2 zeigt
eine weitere bevorzugte Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Die X-Achse zeigt die Tumormasse(n), wobei die Linie '2' die Grenze der Nachweisbarkeit anzeigt.
Die Y-Achse zeigt die Zeit an. Dem zufolge zeigt die Figur ein vereinfachtes
Modell der Tamoxifen-Behandlung eines späte Phase-Brusttumors, wobei
die primäre
Behandlung Chirurgie war (an Punkt 1), gefolgt von einem
Rückfall,
der mit Tamoxifen behandelt wurde (2). In einem ersten
Szenario ist ein Ansprechender auf die Behandlung (4) als unterhalb
der Grenze der Nachweisbarkeit während
der Dauer der Beobachtung verbleibend gezeigt. Ein nicht-Ansprechender
auf die Behandlung (5) erholt sich nicht von dem Rückfall.
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3 bis 10 zeigen eine gewichtete
Matrix weiterer Daten, die gemäß Beispiel
4 erhalten wurden, die Unterschieden in der CpG-Methylierung zwischen
den Klassen von Geweben entsprechen, unter der Verwendung eines
Algorithmus. 3, 5, 7 und 9 sind
in Graustufungen gezeigt, wobei die am meisten signifikanten CpG-Positionen
sich in der Matrix unten befinden, wobei die Signifikanz nach oben
hin abnimmt. Schwarz zeigt eine vollständige Methylierung an einer
angegebenen CpG-Position, weiß stellt
keine Methylierung an der besonderen Position dar, wobei die Ausmaße der Methylierung
in grau dargestellt sind, von hell (niedriger Anteil an Methylierung)
zu dunkel (hoher Anteil an Methylierung). Jede Zeile stellt eine
spezifische CpG-Position innerhalb eines Gens dar und jede Spalte
das Methylierungsprofil für
die verschiedenen CpGs für
eine Probe dar. Auf der linken Seite ist eine CpG- und Gen-Bezeichnung
gezeigt, diese kann mit der beigefügten Tabelle (Tabelle 3) verglichen
werden, um das fragliche Gen und das verwendete Nachweisoligomer
zu bestimmen. Auf der rechten Seite sind p-Werte für die einzelnen
CpG-Positionen gezeigt. Die p-Werte sind die Wahrscheinlichkeiten
dafür,
daß die
beobachtete Verteilung in dem Datenset zufällig auftrat. 4, 6, 8 und 10 sind die rot-grün Versionen der voranstehenden
Figuren (d.h. jeweils 3, 5, 7 und 9).
Rot zeigt eine vollständige
Methylierung an einer angegebenen CpG-Position, grün stellt keine Methylierung
an der bestimmten Position dar.
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SEQ ID Nrn.: 15, 31, 32, 63, 40,
9 und 33 stellen 5' und/oder
regulatorische Regionen und/oder CpG-reiche Regionen der Gene gemäß Tabelle
1 dar. Diese Sequenzen sind aus der Genbank abgeleitet und sollen
als alle kleineren Variationen des Sequenzmaterials einschließend angesehen
werden, die im Augenblick nicht vorhersehbar sind, zum Beispiel,
jedoch nicht begrenzt auf, kleinere Deletionen und SNPs.
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SEQ ID Nrn.: 109, 110, 234, 235,
141, 142 267, 268, 143, 144, 269, 270, 205, 206, 331, 332, 159,
160, 285, 286, 97, 98, 223, 224, 145, 146, 271 und 272 zeigen die
vorbehandelte Sequenz von DNA, die von der genomischen Sequenz gemäß Tabelle
1 abgeleitet ist. Diese Sequenzen sollen als alle kleineren Variationen des
Sequenzmaterials einschließend
angesehen werden, die im Augenblick nicht vorhersehbar sind, zum
Beispiel, jedoch nicht begrenzt auf, kleinere Deletionen und SNPs.
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SEQ ID Nr.: 459 bis SEQ ID Nr.: 964
zeigen die Sequenz von Oligomeren, die für die Analyse von CpG-Positionen
innerhalb genomischer DNA gemäß SEQ ID
Nr.: 1 bis SEQ ID Nr.: 63 gemäß Tabellen
2 und 3 geeignet sind.
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SEQ ID Nr.: 941 bis SEQ ID Nr.: 964
zeigen die Sequenz von Oligomeren, die für die Analyse des Methylierungszustands
von CpG-Positionen innerhalb genomischer DNA gemäß SEQ ID Nrn.: 15, 31, 32,
63, 40, 9 und 33 besonders geeignet sind.
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Tabelle
1: Informative Markergene
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Beispiele
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Beispiel 1
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Das Gen CYP2D6 wurde unter der Verwendung
der „Methylated
CpG Island Amplification" (MCA)-Technik
als verschieden hypermethyliert in Tamoxifen nicht-Ansprechenden,
verglichen mit Tamoxifen-Ansprechenden, identifiziert. Dies Verfahren
identifiziert hypermethylierte Sequenzen in einer Population genomischer
DNA, verglichen mit einer zweiten Population, durch selektives Eliminieren
von Sequenzen, die die hypermethylierten Regionen nicht enthalten.
Dies wird durch Verdau von genomischer DNA mit einem Methylierungssensitiven
Enzym durchgeführt,
das nicht-methylierte Schnittstellen spaltet, um so „blunt" Enden zurückzulassen,
gefolgt von Spaltung mit einem Isoschizomer, das Methylierungs insensitiv
ist und „sticky" Enden zurückläßt. Dies
wird von einer Amplikon-Herstellung und subtraktiver Hybridisierung
der „Tester"-Population mit der „Driver"-Population gefolgt.
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Alle Proben stammten von Patienten,
die mit Tamoxifen als eine Anschluß-Therapie unmittelbar im Anschluß an Chirurgie
behandelt wurden, wie in 1 dargestellt.
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Dieser McST wurde nur in einem Vergleich
gefunden: Tamoxifen Ansprechende-Pool gegenüber Tamoxifen nicht-Ansprechende
Pool und war in dem nicht-Ansprechende-Pool hypermethyliert. Der
Ansprechende Pool bestand aus 16 Proben (jeweils 1,5 μg, insgesamt
24 μg).
Nicht-Ansprechende Pools waren 8 Proben (jeweils 3 μg, gesamt
von 24 μg).
Die Ansprechenden-Pools waren „Driver", die nicht-Ansprechenden
waren „Tester".
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In den Ausgangs-Reaktionen wurden
5 μg jedes
genomischen DNA-Pools mit SmaI in einer 100 μl Reaktion über Nacht bei 25°C in NEB
Puffer 4 + BSA und 100 Einheiten von Enzym (10 μl) verdaut. Die Pools wurden
dann weiter mit XmaI (2 μl
= 100 U) verdaut, 6 Stunden bei 37°C.
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500 ng des gereinigten verdauten
Materials wurden an die Adapterprimer SEQ ID Nr.: 965 und SEQ ID
Nr.: 966 (Sequenz: SEQ ID Nr.: 965: AGCACTCTCCAGCCTCTCACCGAC; SEQ
ID Nr.: 966: CCGGGTCGGTGA) ligiert. Diese wurden hybridisiert, um
den Adapter durch Erhitzen zusammen bei 70°C und langsames Abkühlen auf
RT in einer 30 μl
Reaktion über
Nacht bei 16 Grad mit 400 U (1 μl)
T4 Ligase Enzym herzustellen. 3 μl
des Ligationsgemisches für
sowohl Tester- und Driverpopulationen wurden in jeder anfänglichen
PCR verwendet, um die Startamplikons zu erzeugen. Zwei PCR-Reaktionen
wurden für
die Tester und acht für
die Driver durchgeführt.
Die Reaktionen waren 100 μl,
mit 1 μl
100 μM Primer
SEQ ID Nr.: 965 (AGCACTCTCCAGCCTCTCACCGAC), 10 μl PCR Puffer, 1,2 μl 25 mM dNTPs,
68,8 uL Wasser, 1 μl
Titan Taq, 2 μl
DMSO und 10 μl
5 M Betain. Ein anfänglicher
95 Grad für
1 Min-Schritt, gefolgt von 25 Zyklen bei 95 Grad für 1 Min,
gefolgt von 72 Grad für
3 Min und einer finalen Extension bei 72 Grad für 10 Min wurden durchgeführt.
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Die Testeramplikons wurden dann mit
XmaI wie oben beschreiben verdaut, was überhängende Enden ergab, und die
Driveramplikons wurden mit SmaI, wie oben, verdaut, was blunt-Enden Fragmente ergab.
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Ein neues Set von Adapterprimern
(wie für
die RXMA Primer beschrieben hybridisiert) SEQ ID Nr.: 967 und SEQ
ID Nr.: 968 (SEQ ID Nr.: 967: ACCGACGTCGACTATCCATGAACC; SEQ ID Nr.:
968: CCGGGGTTCATG) wurden nur an die Tester, unter Anwendung derselben
Bedingungen wie vorher, ligiert.
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Fünf μg von verdauten
Tester- und 40 μg
von verdauten Driver-Amplikons wurden in einer Lösung, die 4 μl EE (30
mM EPPS, 3 mM EDTA) und 1 μl
5 M NaCl enthielt, bei 67°C
für 20
Stunden hybridisiert. Eine selektive PCR-Reaktion wurde unter Verwendung
von Primer SEQ ID Nr.: 967 (Sequenz: SEQ ID Nr.: 967: ACCGACGTCGACTATCCATGAACC)
durchgeführt.
Die Amplifikation wurde wie folgt durchgeführt: Ein anfänglicher
Auffüllschritt
von 72 Grad 5 Min, gefolgt von 95 Grad für 1 Min, 72 Grad für 3 Min
für 10
Zyklen. 10 μl
Mung Bean Nuklease Puffer plus 10 μl Mung Bean Nuklease (10 U)
wurden hinzugefügt
und bei 30 Grad für
30 Min inkubiert. Diese Reaktion wurde gereinigt und als ein Templat
für 25
weitere Zyklen von PCR unter der Verwendung des SEQ ID Nr.: 967
Primer und denselben Bedingungen verwendet.
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Das sich ergebende PCR-Produkt (Tester)
wird dann nochmals unter der Verwendung von XmaI wie oben verdaut
und ein dritter Adapter, SEQ ID Nr.: 969 und SEQ ID Nr.: 970 (Sequenz:
SEQ ID Nr.: 969: AGGCAACTGTGCTATCCGAGTGAC; SEQ ID Nr.: 970: CCGGGTCACTCG)
wurde ligiert. Der Tester (500 ng) wurde ein zweites Mal an den
original verdauten Driver (40 μg)
in 4 μl
EE (30 mM EPPS, 3 mM EDTA) und 1 μl
5 M NaCl bei 67°C
für 20
Stunden hybridisiert. Eine selektive PCR wurde unter der Verwendung
von SEQ ID Nr.: 969 Primer (Sequenz: SEQ ID Nr.: 969: AGGCAACTGTGCTATCCGAGTGAC)
wie folgt durchgeführt:
ein anfänglicher
Auffüllschritt
von 72 Grad, 5 Min, gefolgt von 95 Grad für 1 Min, 72 Grad für 3 Min
für 10
Zyklen. 10 μl
Mung Bean Nuklease Puffer plus 10 μl Mung Bean Nuklease (10 U)
wurden hinzugefügt
und bei 30 Grad für 30
Min inkubiert. Diese Reaktion wurde gereinigt und als ein Templat
für 25
weitere Zyklen PCR unter der Verwendung von SEQ ID Nr.: 969 Primer
und denselben Bedingungen verwendet.
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Das sich ergebende PCR-Produkt (1,8 μg) wurde
mit XmaI verdaut (in 50 μl
Gesamtvolumen, NEB Puffer 4 + BSA und 2 μl = 100 U XmaI, 6 Stunden bei
37°C) und
in den Vektor pBCSk – vorverdaut
mit XmaI und phosphatasiert (675 ng) – ligiert. 5 μl einer 30 μl Ligation
wurden verwendet, um chemisch kompetente TOP 10 Zellen gemäß den Anweisungen
des Herstellers zu transformieren. Die Transformationen wurden auf LB/XGal/IPTG/CAM-Platten
plattiert.
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Ungefähr 50 Insert-enthaltende Kolonien,
aufgrund ihres Fehlens von blauer Farbe ersichtlich, wurden zur
Sequenzierung ausgewählt.
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Die erhaltenen Insert-positiven Klone
wurde unter der Verwendung von Vektorprimern sequenziert und die
Sequenz wurde mit der EnsEMBL Golden Path Genom-Datenbank unter
Verwendung des NCBI BLAST Programms (Ref.), das sich auf einem internen
Server befand, verglichen.
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Beispiele 2 und 3
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In den folgenden Beispielen wurde
eine Multiplex PCR einer großen
Auswahl von Genen gemäß Tabelle
2 an Gewebeproben von Brustkrebs-Patientinnen durchgeführt, die
mit dem Wirkstoff Tamoxifen behandelt wurden, dann wurden Vergleiche
von Ansprechenden auf den Wirkstoff gegenüber den nicht-Ansprechenden
auf den Wirkstoff in sowohl den Anschluß- als auch den metastatischen Ansätzen durchgeführt (siehe 1 und 2).
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Jede Probe wurde auf die unten in
Beispiel 2 beschriebene Weise behandelt, um den Methylierungsstatus
der CpG-Positionen abzuleiten, wobei die CpG-Methylierungs-Information
für jede
Probe kollationiert wurde und dann in einer Analyse, wie in Beispiel
3 angegeben, verwendet.
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Beispiel 2
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Im ersten Schritt wurde die genomische
DNA aus den Zellproben unter der Verwendung des Wizzard Kits von
Promega isoliert.
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Die isolierte genomische DNA ausn
den Proben wurden unter der Verwendung einer Bisulfitlösung (Hydrogensulfit,
Disulfit) behandelt. Die Behandlung ist solchermaßen, daß alle nicht-methylierten
Cytosine innerhalb der Probe in Thiamidin überführt wurden, umgekehrt verbleiben
5-methylierte Cytosine innerhalb der Probe nicht-modifiziert.
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Die behandelten Nukleinsäuren wurden
dann unter der Verwendung von Multiplex-PCRs amplifiziert, wobei
acht Fragmente pro Reaktion mit Cy5 fluoreszent markierten Primern
amplifiziert wurden. Die verwendeten PCR-Primer sind in Tabelle
2 beschrieben. Die PCR-Bedingungen
waren wie folgt.
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Reaktionslösung:
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- 10 ng Bisulfit-behandelte DNA
- 3,5 mM MgCl2
- 400 μM
dNTPs
- 2 pMol jedes Primers
- 1 U HotStar Taq (Qiagen)
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Vierzig Zyklen wurden wie folgt durchgeführt. Denaturierung
bei 95°C
für 15
Min, gefolgt von Annealing bei 55°C
für 45
Sec, Primer Elongation bei 65°C
für 2 Min.
Eine finale Elongation bei 65°C
wurde für
10 Min durchgeführt.
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Alle PCR-Produkte von jeder individuellen
Probe wurden dann an Glas-Objektträger hybridisiert, die ein Paar
von immobilisierten Oligonukleotiden für jede CpG Position unter Analyse
trugen. Jedes dieser Nachweis-Oligonukleotide war so aufgebaut,
um an die Bisulfitkonvertierte Sequenz um eine CpG-Stelle herum
zu hybridisieren, die entweder anfänglich nicht-methyliert (TG)
oder methyliert (CG) war. Siehe Tabelle 3 für weitere Details aller verwendeten
Hybridisierungs-Oligonukleotide. Die Hybridisierungsbedingungen
wurden so ausgewählt,
um den Nachweis der einzelnen Nukleotid-Unterschiede zwischen den
TG- und CG-Varianten zu ermöglichen.
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5 μl
Volumen jedes Multiplex-PCR-Produkts wurden in 10 × Ssarc
Puffer (10 × Ssarc:230
ml 20 × SSC, 180
ml Natriumlauroylsarcosinat-Lösung
20%, verd. auf 1000 ml mit dH2O) verdünnt. Das
Reaktionsgemisch wurde dann an die Nachweis-Oligonukleotide wie
folgt hybridisiert. Denaturierung bei 95°C, Abkühlen auf 10°C, Hybridisierung bei 42°C über Nacht,
gefolgt von Waschen mit 10 × Ssarc
und dH2O bei 42°C.
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Die Fluoreszenzsignale für jedes
hybridisierte Oligonukleotid wurden unter der Verwendung des Genepix-Scanners
und -software nachgewiesen. Die Verhältnisse für die zwei Signale (von dem
CG-Oligonukleotid und dem TG-Oligonukleotid, das dazu verwendet
wurde, um jede CpG-Position zu analysieren) wurde basierend auf
dem Vergleich der Intensität
der Fluoreszenzsignale berechnet.
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Beispiel 3
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Die nach Beispiel 2 erhaltenen Daten
wurden dann gemäß den Unterschieden
in der CpG-Methylierung
zwischen den beiden Klassen von Geweben unter der Verwendung eines
Algorithmus in eine gewichtete Matrix einsortiert (wie in 1 gezeigt). Die am meisten
signifikanten CpG-Positionen befinden sich unten in der Matrix,
wobei die Signifikanz nach oben hin abnimmt. Schwarz zeigt eine
vollständige
Methylierung an einer gegebenen CpG-Position, weiß stellt keine Methylierung
an einer bestimmten Position dar, wobei Anteile von Methylierung
in grau dargestellt sind, von hell (niedriger Anteil an Methylierung)
zu dunkel (hoher Anteil an Methylierung). Jede Zeile stellt eine
spezifische CpG-Position innerhalb eines Gens dar und jede Spalte
zeigt das Methylierungsprofil für
die verschiedenen CpGs für
eine Probe. Auf der linken Seite ist ein CpG und Gen-Identifizierer
gezeigt, der mit der beigefügten
Tabelle (Tabelle 3) übereinstimmt,
um das fragliche Gen und das verwendete Nachweisoligomer zu bezeichnen.
Auf der rechten Seite sind die p-Werte für die einzelnen CpG-Positionen gezeigt.
Die p-Werte sind die Wahrscheinlichkeiten, daß die beobachtete Verteilung
in dem Datenset zufällig
auftrat.
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Für
ausgewählte
Unterscheidungen wurde eine Lern-Algorithmus durch die Erfinder
trainiert (Support Vector Maschine, SVM). Die SVM (wie diskutiert
von F. Model, P. Adorjan, A. Olek, C. Piepenbrock, Feature selection
for DNA methylation based cancer classification. Bioinformatics.
2001 Jun;17 Suppl 1: S 157–64) konstruiert
eine optimale Diskriminante zwischen zwei Klassen von gegebenen
Trainingsproben. In diesem Fall wird jede Probe durch die Methylierungsmuster
(CG/TG Verhältnisse)
an den untersuchten CpG-Stellen beschrieben. Die SVM wurde an einem
Unterset von Proben jeder Klasse trainiert, die mit der Diagnose
beigefügt
präsentiert
wurden. Unabhängige
Testproben, die nicht der SVM vorher gezeigt wurden, wurden dann präsentiert,
um zu ermitteln, ob die Diagnose basierend auf dem in der Trainingsrunde
kreierten Prädiktor
richtig vorhergesagt werden kann. Dieses Verfahren wurde mehrere
Male unter der Verwendung von verschiedenen Partitionen der Proben
wiederholt, ein Verfahren, das Kreuzvalidierung genannt wird. Es
ist zu bemerken, daß alle
Runden ohne die Verwendung von in den vorherigen Läufen erhaltenem
Wissen durchgeführt
wurden. Die Zahl von korrekten Klassifizierungen wurde über alle
Läufe hinweg
Bemittelt, was eine gute Abschätzung unserer
Testgenauigkeit ergibt (Prozent von korrekten Klassifizierungen über alle
Runden hinweg).
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Beispiel 4
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Die zusätzlichen nach den Beispielen
2 und 3 erhaltenen Daten werden dann unter der Verwendung eines
Algorithmus in eine gewichtete Matrix einsortiert (wie in 3 bis 10 gezeigt), in Übereinstimmung mit den CpG-Methylierungs-Unterschieden
zwischen den zwei Klassen von Geweben. 3, 5, 7 und 9 sind in Grauwerten dargestellt, wobei
sich die am meisten signifikanten CpG-Positionen Beispiel unten
in der Matrix befinden, wobei die Signifikanz nach oben hin abnimmt.
Schwarz zeigt eine vollständige
Methylierung an einer gegebenen CpG-Position, weiß stellt
keine Methylierung an einer bestimmten Position dar, wobei Anteile
von Methylierung in grau dargestellt sind, von hell (niedriger Anteil
an Methylierung) zu dunkel (hoher Anteil an Methylierung). Jede
Zeile stellt eine spezifische CpG-Position innerhalb eines Gens dar und
jede Spalte zeigt das Methylierungsprofil für die verschiedenen CpGs für eine Probe.
Auf der linken Seite ist ein CpG und Gen-Identifizierer gezeigt,
der mit der beigefügten
Tabelle (Tabelle 3) übereinstimmt,
um das fragliche Gen und das verwendete Nachweis-Oligomer zu bezeichnen.
Auf der rechten Seite sind die p-Werte für die einzelnen CpG-Positionen
gezeigt. Die p-Werte sind die Wahrscheinlichkeiten, daß die beobachtete
Verteilung in dem Datenset zufällig
auftrat. 4, 6, 8 und 10 sind
die rot-grün-Versionen
der voranstehenden Figuren (d.h. jeweils 3, 5, 7 und 9). Dunkelgrau zeigt eine vollständige Methylierung
an einer gegebenen CpG-Position an, hellgrau stellt keine Methylierung
an der bestimmten Position dar.
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Für
ausgewählte
Unterscheidungen wurde eine Lern-Algorithmus durch die Erfinder
trainiert (Support Vector Maschine, SVM). Die SVM (wie diskutiert
von F. Model, P. Adorjan, A. Olek, C. Piepenbrock, Feature selection
for DNA methylation based cancer classification: Bioinformatics.
2001 Jun;17 Suppl 1: S 157–64) konstruiert
eine optimale Diskriminante zwischen zwei Klassen von gegebenen
Trainingsproben. In diesem Fall wird jede Probe durch die Methylierungsmuster
(CG/TG Verhältnisse)
an den untersuchten CpG-Stellen beschrieben. Die SVM wurde an einem
Unterset von Proben jeder Klasse trainiert, die mit der Diagnose
beigefügt
präsentiert
wurden. Unabhängige
Testproben, die der SVM vorher nicht gezeigt wurden, wurden dann präsentiert,
um zu ermitteln, ob die Diagnose basierend auf dem in der Trainingsrunde
kreierten Prädiktor
richtig vorhergesagt werden kann. Dieses Verfahren wurde mehrere
Male unter der Verwendung von verschiedenen Partitionen der Proben
wiederholt, ein Verfahren, das Kreuzvalidierung genannt wird. Es
ist zu bemerken, daß alle
Runden ohne die Verwendung von in den vorherigen Läufen erhaltenem
Wissen durchgeführt
wurden. Die Zahl von korrekten Klassifizierungen wurde über alle
Läufe hinweg
gemittelt, was eine gute Abschätzung unserer
Testgenauigkeit ergibt (Prozent von korrekten Klassifizierungen über alle
Runden hinweg).
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Anschluß-Ansatz
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Die Analyse der Methylierungsmuster
der mit Tamoxifen als eine Anschluß-Therapie unmittelbar im Anschluß an Chirurgie
(siehe 1) von behandelten
Patienten-Proben ist in den Matrizes gemäß den 3 bis 6 gezeigt.
In dieser Analyse kann gesehen werden, daß die Gene PTGS2, MSMB, TP53
und CYP2D6 signifikant verschieden zwischen den zwei Klassen von
Geweben (auf die Therapie Ansprechende und nicht-Ansprechende auf
die Therapie) methyliert waren.
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In der in den 3 und 4 gezeigten
Klassifikation, waren die Gene TP53 und MSMB in nicht-Ansprechenden
auf den Wirkstoff Tamoxifen signifikant mehr methyliert, wobei Subjekte
mit einem Erkrankungs-freien Überleben
von weniger als 36 Monaten als nicht-Ansprechende klassifiziert
wurden und Subjekte mit einem Erkrankungs-freien Überleben
von mehr als 60 Monaten als Ansprechende klassifiziert wurden. Diese
Klassifizierung wurde mit einer Sensitivität von 0,84 und einer Sensitivität von 0,16
durchgeführt.
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In der in den 5 und 6 gezeigten
Klassifizierung war das Gen PTGS2 signifikant höher methyliert in nicht-Ansprechenden
auf den Wirkstoff Tamoxifen, wobei Subjekte mit einem Erkrankungs-freien Überleben von
weniger als 24 Monaten als nicht-Ansprechende klassifiziert wurden
und Subjekte mit einem Erkrankungs-freien Überleben von mehr als 100 Monaten
als Ansprechende klassifiziert wurden. Diese Klassifizierungen wurde
mit einer Sensitivität
von 0,89 und einer Sensitivität
von 0,48 durchgeführt.
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Metastatischer Ansatz
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Die Analyse der Methylierungsmuster
von Patientenproben, die mit Tamoxifen in einem metastatischen Ansatz
(siehe 2) behandelt
wurden, ist in den Matrizes gemäß den 7 bis 10 gezeigt. Die analysierten Subjekte
in dieser Klassifizierung wiesen einen Rückfall im Anschluß an eine
anfängliche
Behandlung auf, wobei die anschließende Metastasierung durch
Tamoxifen behandelt wurde.
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In der in 7 und 8 gezeigten
Klassifikation waren die Gene FGFR1 und PSA waren signifikant weniger
methyliert in nicht-Ansprechenden auf den Wirkstoff Tamoxifen. Subjekte
mit einer progressiven Erkrankung wurden als nicht-Ansprechende
klassifiziert, und Subjekte die eine teilweise oder vollständige Remission erzielten,
wurden als Ansprechende klassifiziert. Diese Klassifizierung wurde
mit einer Sensitivität
von 0,45 und einer Sensitivität
von 0,81 durchgeführt.
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Die Sensitivität dieser Klassifikation konnte
verbessert werden, indem nur diejenigen Patienten analysiert wurden,
die nicht eine Chemotherapie unterzogen wurden. In dieser in den 9 und 10 gezeigten Klassifikation waren die
Gene FGFR1, PSA und CGA signifikant weniger methyliert in nicht-Ansprechenden
auf den Wirkstoff Tamoxifen. Die Sensitivität der Klassifikation wurde
dadurch auf 0,54 verbessert und die Spezifität auf 0,85.
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Tabelle
2: PCR Primer und Amplifikate
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Tabelle
3: Hybridisierungsoligonucleotide.
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