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Nukleinsäuren für die Diagnose
von mit DNA Reparatur assoziierten Krankheiten
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Die nach den methodischen Entwicklungen
der letzten Jahre in der Molekularbiologie gut studierten Beobachtungsebenen
sind die Gene selbst, die Übersetzung
dieser Gene in RNA und die daraus entstehenden Proteine. Wann im
Laufe der Entwicklung eines Individuums welches Gen angeschaltet
wird und wie Aktivieren und Inhibieren bestimmter Gene in bestimmten
Zellen und Geweben gesteuert wird, ist mit Ausmaß und Charakter der Methylierung
der Gene bzw. des Genoms korrelierbar. Insofern äußern sich pathogene Zustände in einem
veränderten
Methylierungsmuster einzelner Gene oder des Genoms.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Nukleinsäuren,
Oligonukleotide, PNA-Oligomere und ein Verfahren zur Diagnose und/oder
der Therapie von Erkrankungen, die mit dem genetischen und/oder
epigenetischen Parametern von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert
sind, und insbesondere deren Methylierungsstatus, in Zusammenhang
stehen.
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Stand der Technik
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Die Fähigkeit, DNA Beschädigung zu
reparieren ist eine essentielle Komponente der genetischen Mechanismen,
die die genomische Genauigkeit aufrechterhalten. Die DNA Beschädigung kann
mehrere Formen annehmen, einschließlich Einzel- und Doppelstrangbrüchen, inter-
und intra-Strang Kreuzvernetzungen und verschiedene Arten von Basenmodifikationen.
Die DNA Beschädigung
kann das Ergebnis einer Vielzahl von Faktoren sein. Herkömmliche
exogene Quellen von DNS Beschädigung
schließen
chemische Verbindungen und Bestrahlung ein. Endogene Quellen schließen spontane
chemische Konversion (z.B. Deaminierung oder Depurinierung), den
Effekt von Sauerstoff und freien Radikalen (die eine Basen-Beschädigung und
DNA Strangbrüche
verursachen) und Fehlfunktionen in den DNA Replikationsmechanismen
(die Basenfehlpaarungen und Deletionen verursachen) ein. Auf dem
zellulären
Niveau kann die DNA Beschädigung
Funktionen, wie z. B. die Transkription, die DNA Replikation, den
Zellzyklus, die Apoptose und die Mutagenese beeinträchtigen. Auf
dem phänotypischen
Niveau kann dies zu der Entwicklung von Erkrankungen, wie z. B.
Krebs und Alterung führen.
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Jede Zelle hält verschiedene komplexe Verfahren
bereit, um mit sowohl Einzelbasen- oder strukturellen Fehlpaarungen
zurechtzukommen. Gemeinsame Reparaturwege für Doppelstrangbrüche sind
auf homologer Rekombination basierende Mechanismen. Ein anderer
verbreiteter Mechanismus für
die doppelsträngige DNA-Bruch-Reparatur
ist ein Zusammenfügen
nicht homologer Enden. Die Mechanismen von doppelsträngiger Bruch-Reparatur
und die damit zusammenhängenden
Erkrankungen wurden durch Khanna and Jackson "DNA doublestrand breaks: signalling,
repair and the cancer connection." Nature Genetics 2001 Mar;27(3):247-254
zusammenfassend beschrieben.
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Kleine Basen-Fehlpaarungen werden
im allgemeinen durch Basen Exzisionsreparaturmechanismen entfernt,
diese umfassen spezifische Glycosylasen, die Basen entfernen, gefolgt
von Polymerasen und Ligasen, die die Lücke auffüllen, die durch die Exzision
zurückgelassen
wurde. Die Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER) entfernt eine große Vielzahl
von Läsionen,
die UV-induzierte Läsionen,
unförmige
chemische Addukte, verschiedene Formen von Basenfehlpaarungen und
einige Formen von oxidativer Beschädigung einschließen. Verschiedene
Variationen auf dem Signalweg existieren, wie z. B. die globale
Genom Nukleotid Exzisionsreparatur und die Transkriptions-gekoppelte
Nukleotid-Exzisionsreparatur. Der generelle NER Prozeß schließt die Wirkung
von mindestens 30 Proteinen in einem Mechanismus ein, der die Schadens-Identifizierung,
die lokalisierte Entwindung der DNA-Helix, die Exzision des beschädigten Teils
der DNA, die Synthese eines neuen Stranges und die anschließende Ligation
einschließt.
Die Konsequenzen eines Defekts in einem der NER Proteine werden
aus drei seltenen rezessiven photosensitiven Syndromen ersichtlich:
Xeroderma Pigmentosum (XP), CS und die photosensitive Form der Haarbrucherkrankung
Trichothiodystrophie (TTD), siehe unten für weitere Referenzen. Ein weiterer Überblick über DNA
Reparaturmechanismen ist aus Standard molekularbiologischen Lehrbüchern, wie
z. B. Alberts et. al. 'Molecular
biology of the cell' Garland
Publishing erhältlich.
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Daß diese Mechanismen zwischen
Spezies hoch konserviert sind, verdeutlicht deren Wichtigkeit. Fehlfunktionen
in DNA Reparaturwegen wurden mit einer Zahl von Erkrankungen in
Zusammenhang gebracht, einschließlich Krebs und Alterung. Erkrankungen,
die mit DNA Reparaturmechanismen assoziiert sind, schließen die
folgenden ein:
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- Ataxie-Telangiektasie: Allen et. al. 'Ataxia telangiectasia mutated is essential
during adult neurogenesis.' Genes
and Development 2001 Mar 1;15(5):554-566.
- Alterung: Martin et. al.'Genetic
analysis of ageing: role of oxidative damage and environmental stresses' Nature Genetics
1996 May; 13 (1): 25.
- Bloom's Syndrom:
Karow et. al. 'The
Bloom's syndrome
gene product promotes branch migration of holliday junctions.' Proc Natl Acad Sci
U S A 2000 Jun 6;97(12):6504-8.
- Immundefizienz: Gennery et. al. 'Immunodeficiency associated with DNA
repair defects. 'Clin
Exp Immunol 2000 Jul;121(1):1-7.
- Cockayne Syndrom: Hanawalt 'DNA
repair: The bases for Cockayne syndrome' Nature 405,(2000): 415 – 416.
- Nijmegen Bruchsyndrom: Digweed et. al. 'Nijmegen breakage syndrome: consequences
of defective DNA double strand break repair.' Bioessays 1999 Aug;21(8):649-56.
- Trichothiodystrophie: Vermeulen et. al. 'Sublimiting concentration of TFIIH transcription/DNA
repair factor causes TTD-A trichothiodystrophy disorder.' Nature Genet 2000
Nov;26(3):307-13.
- Fanconi's Anämie: Thyagarajan
and Campbell 'Elevated
homologous recombination activity in fanconi anemia fibroblasts.': J Biol Chem 1997
Sep 12;272(37):23328-33.
- Werner Syndrom: Kamath-Loeb et. al. 'Functional interaction between the Werner
Syndrome protein and DNA polymerase delta.' Proc Natl Acad Sci U S A 2000 Apr 25;97(9):4603-8.
- Brustkrebs: Bertwistle et. al. 'The pathology of familial breast cancer
How do the functions of BRCA1 and BRCA2 relate to breast tumour
pathology?' Breast
Cancer Res 1999;1(1):41-47.
- Lungenkrebs: Spitz et. al. 'Modulation
of nucleotide excision repair capacity by XPD polymorphisms in lung cancer
patients.' Cancer
Res 2001 Feb 15;61(4):1354-7.
- Hautkrebs: Tomescu et. al. 'Nucleotide
excision repair gene XPD polymorphisms and genetic predisposition
to melanoma.' Carcinogenesis
2001 Mar;22(3):403-408.
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Von Unterbrechungen in DNA Reparaturwegen
wurden gefunden, daß diese
bei einigen der wichtigsten Gene beteiligt sind, die mit Krebs zusammenhängen, wie
z. B. p53, BRCA1 und BRCA2.
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Die Komplexitäten der Synthesewege, die zu
einer DNA Reparatur führen,
ermöglichen
viele Mechanismen, durch die diese abgezweigt werden können. Zusätzlich zu
genomischen Mutationen wurde die epigenetische Kontrolle von Genen
mit Unterbrechungen von DNA Reparaturwegen in Zusammenhang gebracht. Der
am besten charakterisierte epigenetische Parameter ist die DNA-Methylierung.
Die Methylierung von DNA Reparaturgenen wurde als ein Faktor mit
der Tumorgenese in Zusammenhang gebracht 'Promoter hypermethylation patterns of
p16, O6-methylguanine-DNA-methyltransferase, and death-associated
protein kinase in tumors and saliva of head and neck cancer patients.' Cancer Res 2001
Feb 1;61(3):939-42. Die Identifizierung von Methylierung von DNA
Reparaturgenen als ein Faktor bei der Tumor Malignität eröffnet die
Möglichkeit, alternative
Verfahren der Behandlung zu entwickeln. Methylierungs-basierte Therapien
könnten
beträchtliche Vorteile über die
augenblicklichen Behandlungsverfahren, wie z. B. Chemotherapie,
Chirurgie und Radiotherapie aufweisen. Weiterhin, wie durch Rosas
et. al. vorgeschlagen, könnte
die DNA Methylierungsanalyse neue Mittel zur Tumordiagnose zur Verfügung stellen.
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5-Methylcytosin ist die häufigste
kovalent modifizierte Base in der DNA eukaryontischer Zellen. Sie spielt
beispielsweise eine Rolle in der Regulation der Transkription, beim
genetischen 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 bei einer PCR-Amplifikation die epigenetische Information,
welche die 5-Methylcytosine tragen, 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 sei nem
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
kann, 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 wird. 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 an 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 bisher nur einzelne Regionen
bis etwa 3000 Basenpaare Länge
untersucht, eine globale Untersuchung von Zellen auf Tausenden von
möglichen
Methylierungsanalysen 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
Möglichkeiten,
5-Methylcytosine nachzuweisen, kann aus 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. Nat Genet. 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 95/00669) oder
einen Enzymschnitt (Xiong Z, Laird PW. COBRA: a sensitive and quantitati ve
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 eines immobilisierten DNA-Arrays sind vielfach fluoreszenzmarkierte
Sonden verwendet worden. 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 erfolgt
beispielsweise über
ein Konfokalmikroskop. Die Farbstoffe Cy3 und Cy5 sind, neben vielen
anderen, kommerziell erhältlich.
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Matrix-assistierte 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 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 ineffizienter. 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. Für DNA gibt es zwar mittlerweile
einige ansprechende Matrizes, jedoch wurde dadurch der Empfindlichkeitsunterschied
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 resultiert in der Steigerung der Empfindlichkeit um den gleichen
Betrag, wie er 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 durch Standardmethoden
aus DNA von Zell-, Gewebe- oder sonstigen Versuchsproben gewonnen.
Diese Standardmethodik findet sich in Referenzen wie Fritsch und
Maniatis eds., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 1989.
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Beschreibung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die chemisch modifizierte DNA von Genen zur Verfügung zu
stellen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind, sowie Oligonukleotide
und/oder PNA-Oligomere zur Detektion von Cytosin-Methylierungen
sowie ein Verfahren bereitzustellen, welches sich zur Diagnose und/oder
der Therapie von genetischen und epige netischen Parametern von Genen,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind, besonders eignet. Der Erfindung
liegt die Erkenntnis zugrunde, daß genetische und epigenetische
Parameter und insbesondere die Cytosin-Methylierungsmuster von Genen,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind, zur Diagnose und/oder der
Therapie von mit DNA Reparatur assoziierten Erkrankungen besonders
eignen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
das zur Verfügung
stellen einer Nukleinsäure,
die einen mindestens 18 Basen langen Sequenzabschnitt der chemisch
vorbehandelten DNA von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind
gemäß einer
der Seq. ID No. 1 bis Seq. ID No. 144 und dazu komplementären Sequenzen
und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen
enthält,
gelöst.
In der Tabelle sind nach den aufgelisteten Gen-Bezeichnungen die jeweiligen Datenbanknummern
(Zugangsnummern) angegeben, die die dazugehörigen Gensequenzen als einmalig
definieren. GenBank am National Institute of Health wurde als die zu
Grunde liegende Datenbank unter der Internet Adresse www.ncbi.nlm.nih.gov
verwendet.
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Die chemisch modifizierte Nukleinsäure konnte
bisher nicht in Zusammenhang mit der Ermittlung von genetischen
und epigenetische Parametern gebracht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird weiterhin durch ein Oligonukleotid oder Oligomer zur Detektion
des Cytosin-Methylierungszustandes in chemisch vorbehandelter DNA,
umfassend mindestens eine Basensequenz mit einer Länge von
mindestens 13 Nukleotiden gelöst,
die an eine chemisch vorbehandelte DNA von Genen, die mit DNA Reparatur
assoziiert sind gemäß einer
der Seq. ID No. 1 bis Seq. ID No. 144 und dazu komplementären Sequenzen
und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer der
Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen
hybridisiert. Die erfindungsgemäßen Oligomersonden
stellen wichtige und effektive Werkzeuge dar, welche die Ermittlung
der genetischen und epigenetischen Parameter von Genen, die mit
DNA Reparatur assoziiert sind, erst ermöglichen. Bevorzugterweise umfaßt die Basensequenz
der Oligomere mindestens ein CpG Dinukleotid. Die Sonden können auch
in Form einer PNA (Peptide Nucleic Acid) vorliegen, die besonders
bevorzugte Paarungseigenschaften aufweist. Besonders bevorzugt sind
erfindungsgemäße Oligonukleotide,
bei denen das Cytosin des CpG Dinukleotids das 5. – 9. Nukleotid
vom 5'-Ende des
13 mers ist, im Falle von PNA- Oligomeren
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 erfindungsgemäßen Oligomere werden normalerweise
in sogenannten Sets eingesetzt, die für jedes der CpG Dinukleotide
eine der Sequenzen der Seq. ID No. 1 bis Seq. ID No. 144 und dazu
komplementären
Sequenzen und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen
mindestens ein Oligomer umfassen. Bevorzugt ist ein Set, das für jedes
der CpG Dinukleotide aus einer der Seq ID No. 1 bis Seq ID No. 144
und dazu komplementären
Sequenzen und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen
mindestens ein Oligomer umfaßt.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung
ein Set von mindestens zwei Oligonukleotiden zur Verfügung, die als
sogenannte „Primer-Oligonukleotide" zur Amplifikation
von DNA-Sequenzen einer der Seq. ID No. 1 bis Seq. ID No. 144 und
dazu komplementären
Sequenzen und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen oder
Abschnitten davon eingesetzt werden können.
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Im Falle der erfindungsgemäßen Sets
von Oligonukleotiden ist es bevorzugt, daß mindestens ein Oligonukleotid
an eine Festphase gebunden ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin einen Satz von mindestens 10 n (Oligonukleotiden und/oder
PNA-Oligomeren), die zur Detektion des Cytosin-Methylierungszustandes
in chemisch vorbehandelter genomischer DNA (Seq. ID No. 1 bis Seq.
ID No. 144 und dazu komplementären
Sequenzen und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen)
dienen. Mit diesen Sonden ist die Diagnose von genetischen und epigenetischen
Parametern von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind möglich. Das
Set von Oligomeren kann auch zur Detektion von Single Nucleotide
Polymorphismen (SNPs) in der chemisch vorbehandelten DNA von Genen,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind gemäß einer der Seq. ID No. 1 bis
Seq. ID No. 144 und dazu komplementären Sequenzen und/oder der
chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer der Sequenzen der in
Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen verwendet werden.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, daß eine von
der Erfindung zur Verfügung
gestellte Anordnung aus unterschiedlichen Oligonukleotiden und/oder
PNA-Oligomeren (ein sogenanntes "Array") ebenfalls an eine Festphase
gebunden vorliegt. Dieses Array von unterschiedlichen Oligonukleotid-
und/oder PNA-Oligomersequenzen kann dadurch gekennzeichnet sein,
dass es auf der Festphase in Form eines rechtwinkligen oder hexagonalen
Gitters angeordnet ist. Bevorzugterweise besteht die Festphasenoberfläche aus
Silizium, Glas, Polystyrol, Aluminium, Stahl, Eisen, Kupfer, Nickel,
Silber oder Gold. Möglich
sind jedoch auch Nitrocellulose sowie Kunststoffe wie zum Beispiel
Nylon, die in Form von Kugeln oder auch als Harz-Matrizes vorliegen können.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Trägermaterial
fixierten Arrays zur Analyse in Zusammenhang mit DNA Reparatur assoziierten
Erkrankungen, bei dem mindestens ein Oligomer gemäß der Erfindung
an eine feste Phase gekoppelt wird. Verfahren zur Herstellung von
solchen Arrays sind zum Beispiel aus der
US 5,744,305 mittels Festphasenchemie
und photolabilen Schutzgruppen bekannt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
betrifft einen DNA-Chip zur Analyse in Zusammenhang mit DNA Reparatur
assoziierten Erkrankungen, der mindestens eine Nukleinsäure gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt.
DNA-Chips sind zum Beispiel aus der
US
5,837,832 bekannt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist zudem ein Kit, das zum Beispiel aus einer Bisulfit enthaltenden
Reagenz, einem Satz von Primeroligonukleotiden umfassend mindestens
zwei Oligonukleotide, deren Sequenzen jeweils mindestens einen 18
Basenpaaren langen Abschnitt der im Anhang aufgeführten Basensequenzen
(Seq. ID No. 1 bis Seq. ID No. 144 und dazu komplementären Sequenzen
und/oder der chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementären Sequenzen),
Oligonukleotiden und/oder PNA-Oligomeren sowie einer Anleitung zur
Durchführung
und Auswertung des beschriebenen Verfahrens bestehen kann. Ein Kit
im Sinne der Erfindung kann jedoch auch nur Teile der vorgenannten
Bestandteile enthalten.
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Die Erfindung stellt weiterhin ein
Verfahren zur Ermittlung von genetischen und/oder epigenetischen Parametern
von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind durch Analyse von
Cytosin-Methylierungen und Single Nucleotide Polymorphismen zur
Verfügung,
das folgende Schritte umfaßt:
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In einem ersten Verfahrensschritt
wird eine genomische DNA-Probe derart chemisch behandelt, dass an
der 5'-Position
unmethylierte Cytosinbasen in Uracil, Thymin oder eine andere vom
Hybridisierungsverhalten her dem Cytosin unähnliche Base umgewandelt werden.
Dies wird im folgenden unter „chemischer
Vorbehandlung" verstanden.
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Die zu analysierende genomische DNA
wird bevorzugt aus den üblichen
Quellen für
DNA erhalten, wie Zellen oder Zellbestandteilen, zum Beispiel Zelllinien,
Biopsine, Blut, Sputum, Stuhl, Urin, Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit,
in Paraffin eingebettetes Gewebe, beispielsweise Gewebe von Augen,
Darm, Niere, Hirn, Herz, Prostata, Lunge, Brust oder Leber, histologische
Objektträger
oder Kombinationen davon.
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Bevorzugt wird dazu die oben beschriebene
Behandlung genomischer DNA mit Bisulfit (Hydrogensulfit, Disulfit)
und anschließender
alkalischer Hydrolyse angewendet, die zu einer Umwandlung nicht
methylierter Cytosin-Nukleobasen in Uracil oder eine andere vom
Basenpaarungsverhalten her dem Cytosin unähnliche Base führt.
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Aus dieser chemisch vorbehandelten
genomischen DNA werden Fragmente unter Verwendung von Sätzen von
erfindungsgemäßen Primer-Oligonukleotiden
und einer bevorzugterweise hitzestabilen Polymerase amplifiziert.
Aus statistischen und praktikablen Erwägungen werden bevorzugterweise
mehr als zehn unterschiedliche Fragmente amplifiziert, die 100 – 2000 Basenpaare
lang sind. Die Amplifikation von mehreren DNA-Abschnitten kann simultan
in ein und demselben Reaktionsgefäß durchgeführt werden. Üblicherweise wird
die Amplifikation mittels der Polymerasekettenreaktion (PCR) durchgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens umfasst der Satz von Primer-Oligonukleotiden mindestens zwei Oligonukleotide,
deren Sequenzen jeweils revers komplementär oder identisch zu einem mindestens
18 Basenpaare langen Abschnitt der im Anhang (Seq. ID No. 1 bis
Seq. ID No. 144 und dazu komplementären Sequenzen und/oder der
chemisch vorbehandelten DNA von Genen gemäß einer der Sequenzen der in
Tabelle 1 aufgeli steten Gene und dazu komplementären Sequenzen) aufgelisteten
Basensequenzen sind. Die Primer-Oligonukleotide sind vorzugsweise
dadurch gekennzeichnet, daß sie
kein CpG Dinukleotid enthalten.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, daß bei der
Amplifikation mindestens ein Primer-Oligonukleotid an eine Festphase gebunden
ist. Die unterschiedlichen Oligonukleotid und/oder PNA-Oligomersequenzen
können
auf einer ebenen Festphase in Form eines rechtwinkligen oder hexagonalen
Gitters angeordnet sein, wobei die Festphasenoberfläche bevorzugt
aus Silizium, Glas, Polystyrol, Aluminium, Stahl, Eisen, Kupfer,
Nickel, Silber oder Gold besteht, wobei auch andere Materialien,
wie Nitrocellulose oder Kunststoffe verwendet werden können.
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Die mittels der Amplifikation erhaltenen
Fragmente können
eine direkt oder indirekt nachweisbare Markierung tragen. Bevorzugt
sind Markierungen in Form von Fluoreszenzmarkierungen, Radionukliden
oder ablösbaren
Molekülfragmenten
mit typischer Masse, die in einem Massenspektrometer nachgewiesen
werden können,
wobei bevorzugt ist, dass die erzeugten Fragmente zur besseren Detektierbarkeit
im Massenspektrometer eine einzelne positive oder negative Nettoladung
aufweisen. Der Nachweis kann mittels Matrix assistierter Laser Desorptions/Ionisations
Massenspektrometrie (MALDI) oder mittels Elektrospray Massenspektrometrie
(ESI) durchgeführt
und visualisiert werden.
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Die im zweiten Verfahrensschritt
erhaltenen Amplifikate werden anschließend an einen Satz von Oligonukleotiden
und/oder PNA- Sonden der oder an ein Array hybridisiert. Die Hybridisierung
erfolgt dabei auf die unten angegebene Art und Weise. Der bei der
Hybridisierung verwendete Satz besteht bevorzugterweise aus mindestens
10 Oligonukleotid oder PNA-Oligomer
Sonden. Die Amplifikate dienen dabei als Sonden, die an vorher an
einer Festphase gebundene Oligonukleotide hybridisieren. Die nicht
hybridisierten Fragmente werden anschließend entfernt. Die besagten
Oligonukleotide umfassen mindestens eine Basensequenz mit einer
Länge von
13 Nukleotiden, die revers komplementär oder identisch zu einem Abschnitt
der im Anhang aufgeführten
Basensequenzen ist, der mindestens ein CpG Dinukleotid enthält. Das
Cytosin des CpG Dinukleotids ist das 5. bis 9. Nukleotid vom 5'-Ende des 13 mers
aus betrachtet. Für
jedes CpG Dinukleotid ist ein Oligonukleotid vorhanden. Die besagten
PNA-Oligomere umfassen mindestens eine Basensequenz mit einer Länge von
9 Nukleotiden, die revers komplementär oder identisch zu einem Abschnitt
der im Anhang aufgeführ ten
Basensequenzen ist, der mindestens ein CpG Dinukleotid enthält. Das
Cytosin des CpG Dinukleotids ist das 4. bis 6. Nukleotid vom 5'-Ende des 9-mers
aus gesehen. Für
jedes CpG Dinukleotid ist ein Oligonukleotid vorhanden.
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Im vierten Verfahrensschritt entfernt
man die nicht hybridisierten Amplifikate.
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Im letzten Verfahrensschritt detektiert
man die hybridisierten Amplifikate. Dabei ist bevorzugt, daß an den
Amplifikaten angebrachte Markierungen an jeder Position der Festphase,
an der sich eine Oligonukleotidsequenz befindet, identifizierbar
sind.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, daß die Markierungen
der Amplifikate Fluoreszenzmarkierungen, Radionuklide oder ablösbare Molekülfragmente
mit typischer Masse sind, die in einem Massenspektrometer nachgewiesen
werden können.
Der Nachweis der Amplifikate, Fragmente der Amplifikate oder zu
den Amplifikaten komplementäre
Sonden im Massenspektrometer ist bevorzugt, wobei man die Detektion
mittels Matrix assistierter Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie
(MALDI) oder mittels Elektrospray Massenspektrometrie (ESI) durchführen und
visualisieren kann.
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Zur besseren Detektierbarkeit im
Massenspektrometer können
die erzeugten Fragmente eine einzelne positive oder negative Nettoladung
aufweisen. Bevorzugt wird das vorgenannte Verfahren zur Ermittlung
von genetischen und/oder epigenetischen Parametern von Genen, die
mit DNA Reparatur assoziiert sind, verwendet.
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Die erfindungsgemäßen Oligomere oder Arrays derselben
sowie ein erfindungsgemäßes Kit
sollen zur Diagnose und/oder Therapie einer mit DNA Reparatur assoziierten
Krankheit durch Analyse von Methylierungsmustern von Genen, die
mit DNA Reparatur assoziiert sind, verwendet werden. Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die Verwendung des Verfahrens zur Diagnose und/oder Therapie
bedeutender genetischer und/oder epigenetischer Parameter innerhalb
von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Beispiel
der Diagnose und/oder der Therapie von Ataxie-Telangiectasie, Alterung,
Bloom's Syndrom,
Immundefizienz, Cockayne Syndrom, Nijmegen Bruchsyndrom, Trichothiodystrophie,
Fanconi's Anämie, Werner
Syndrom, solider Tumore und Krebs.
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Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren der
Seq. ID No. 1 bis Seq. ID No. 144 und dazu komplementäre Sequenzen
und/oder die chemisch vorbehandelte DNA von Genen gemäß einer
der Sequenzen der in Tabelle 1 aufgelisteten Gene und dazu komplementäre Sequenzen
können
für die
Diagnose und/oder der Therapie von genetischen und/oder epigenetischen
Parametern von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind, verwendet
werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Diagnostikums und/oder
Therapeutikums zur Diagnose und/oder der Therapie von Krankheiten,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind durch Analyse von Methylierungsmustern
von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind, wobei das Diagnostikum
und/oder das Therapeutikum dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens
eine Nukleinsäure
gemäß der vorliegenden
Erfindung, gegebenenfalls zusammen mit geeigneten Zusatz- und Hilfsstoffen
zu dessen Herstellung verwendet wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden
Erfindung betrifft ein Diagnostikum und/oder Therapeutikum für Krankheiten,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind, durch Analyse von Methylierungsmustern
von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind, wobei das Diagnostikum
und/oder Therapeutikum dadurch gekennzeichnet ist, das es mindestens
eine Nukleinsäure
gemäß der Erfindung,
gegebenenfalls zusammen mit geeigneten Zusatz- und Hilfsstoffen
enthält.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin die Diagnose und/oder Prognose nachteiliger Ereignisse für Patienten
oder Individuen, bei dem die mittels der Erfindung erhaltenen bedeutenden
genetischen und/oder epigenetischen Parameter innerhalb von Genen,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind mit einem anderen Satz genetischen
und/oder epigenetischen Parameter verglichen werden können und
die so erhaltenen Unterschiede als Basis für eine Diagnose und/oder Prognose
nachteiliger Ereignisse für
Patienten oder Individuen dienen.
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Unter dem Begriff "Hybridisierung" im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist eine Bindung unter Ausbildung einer Duplex-Struktur
eines Oligonukleotids an eine vollständig komplementäre Sequenz
im Sinne der Watson-Crick Basenpaarungen in der Proben DNA zu verstehen.
Unter "stringenten
Hybridisierungsbedingungen" sind
solche Bedingungen zu verstehen, bei denen eine Hybridisierung bei
60°C in
2,5 x SSC-Puffer, gefolgt von mehreren Waschschritten bei 37°C in einer
geringeren Pufferkonzentration erfolgt und stabil bleibt.
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Mit dem Begriff "funktionelle Varianten" sind alle DNA-Sequenzen
bezeichnet, die komplementär
zu einer DNA-Sequenz sind, die unter stringenten Bedingungen mit
der Referenzsequenz hybridisieren und eine zu dem entsprechenden
erfindungsgemäßen Polypeptid ähnliche
Aktivität
aufweisen.
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"Genetische
Parameter" im Sinne
dieser Erfindung sind Mutationen und Polymorphismen von Genen, die
mit DNA Reparatur assoziiert sind und zu deren Regulation weiterhin
erforderlicher Sequenzen. Insbesondere sind als Mutationen Insertionen,
Deletionen, Punktmutationen, Inversionen und Polymorphismen und
besonders bevorzugt SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) zu bezeichnen.
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"Epigenetische
Parameter" im Sinne
dieser Erfindung sind insbesondere Cytosin-Methylierungen und weitere chemische
Modifikationen von DNA-Basen von Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert
sind und zu deren Regulation weiterhin erforderliche Sequenzen.
Weitere epigenetische Parameter sind beispielsweise die Acetylierung
von Histonen, die jedoch mit dem beschriebenen Verfahren nicht direkt
analysiert werden kann, sondern wiederum mit der DNA-Methylierung
korreliert.
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Im folgenden wird die vorliegende
Erfindung nun auf Basis der Sequenzen und Beispiele unter Bezug auf
die beigefügte
Figur weiter erklärt
werden, ohne darauf eingeschränkt
zu werden.
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1
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1 zeigt
die Hybridisierung von Fluoreszenz-markierten Amplifikaten an ein
Oberflächen–gebundenes
Oligonukleotid. Probe I stammt aus gesundem Gewebe und Probe II
stammt von Oligodendrogliom Cerebrum-(Tumour)-Gewebe. Die Fluoreszenz
an einem Punkt zeigt die Hybridisierung des Amplifikats an. Die
Hybridisierung an ein CG Oligonukleotid zeigt an, daß die Methylierung
an der Cytosin-Position analysiert wird, die Hybridisierung an ein
TG Oligonukleotid zeigt an, daß keine
Methylierung an der Cytosin-Position analysiert wird.
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Seq. ID No. 1 bis Seq.
ID No 144
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Sequenzen, die ungerade Sequenznummern
haben (z.B., Seq. ID No. 1, 3, 5, ...) zeigen in jedem Fall Sequenzen
der chemisch vorbehandelten genomischen DNAs von verschiedenen Genen,
die mit DNA Reparatur assoziiert sind. Sequenzen, die gerade Sequenznummern
aufweisen (z.B., Seq. ID No. 2, 4, 6, ...) zeigen in jedem Fall
Sequenzen der chemisch vorbehandelten genomischen DNAs von verschiedenen
Genen, die mit DNA Reparatur assoziiert sind, die komplementär zu den
voranstehenden Sequenzen sind (z.B., die komplementäre Sequenz
zu Seq. ID No. 1 ist Seq. ID No. 2, die komplementäre Sequenz
zu Seq. ID No. 3 ist Seq. ID No. 4, usw.)
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Seq. ID No. 145 bis Seq.
ID No 148
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Seq. ID No. 145 bis Seq. ID No. 148
zeigen die Sequenzen von Oligonukleotiden, die in Beispiel 1 verwendet
wurden.
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Das folgende Beispiel betrifft ein
Fragment eines Gens, das mit DNA Reparatur assoziiert ist, in diesem
Fall Uracil-DNA Glycosylase (UNG), worin eine spezifische CG-Position
auf ihren Methylierungsstatus hin analysiert wird.
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Beispiel 1: Methylierungsanalyse
in dem mit DNA Reparatur assoziierten Gen Uracil-DNA Glycosylase (UNG)
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Das folgende Beispiel betrifft ein
Fragment des Gens UNG, worin eine spezifische CG-Position auf ihren Methylierungsstatus
hin analysiert wird.
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Im ersten Schritt wird eine genomische
Sequenz unter Verwendung von Bisulfit (Hydrogensulfit, Disulfit)
derart behandelt, daß alle
nicht an der 5-Position der Base methylierten Cytosine so verändert werden,
daß eine
hinsichtlich dem Basenpaarungsverhalten unterschiedliche Base entsteht,
während
die in 5-Position methylierten Cytosine unverändert bleiben.
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Wird für die Reaktion Bisulfit verwendet,
so findet an den nicht methylierten Cytosinbasen eine Addition statt.
Zudem müssen
ein denaturierendes Reagenz oder Lösungsmittel sowie ein Radikalfänger zugegen sein.
Eine anschließende
alkalische Hydrolyse führt
dann zur Umwandlung von nicht methylierten Cytosin-Nukleobasen in
Uracil. Die chemisch umgewandelte DNA (Sequence ID No. 73) dient
dann dazu, methylierte Cytosine nachzuweisen. Im zweiten Verfahrensschritt
verdünnt
man die behandelte DNA-Probe mit Wasser oder einer wäßrigen Lösung. Bevorzugt
wird anschließend
eine Desulfonierung der DNA (10-30 min, 90-100 °C) bei alkalischem pH-Wert durchgeführt. Im
dritten Schritt des Verfahrens amplifiziert man die DNA-Probe in
einer Polymerasekettenreaktion, bevorzugt mit einer hitzestabilen
DNA-Polymerase. Im vorliegenden Fall werden Cytosine des Gens UNG
analysiert. Dazu wird mit den spezifischen Primeroligonukleotiden
GTTATAGTTATAGTTAGGGT (Seq. ID No. 145) und TCTCCCCTCTAATTAAACAA
(Seq. ID No. 146) ein definiertes Fragment der Länge 476 bp amplifiziert. Dieses
Amplifikat dient als Probe, die an ein vorher an einer Festphase
gebundenes Oligonukleotid unter Ausbildung einer Duplexstruktur
hybridisiert, beispielsweise AGGAAGGCGGTGGGTTT (Seq. ID No. 147),
wobei sich das nachzuweisende Cytosin an Position 252 des Amplifikats befindet.
Der Nachweis des Hybridisierungsprodukts beruht auf Cy3 und Cy5
fluoreszenzmarkierten Primer-Oligonukleotiden, die für die Amplifikation
verwendet wurden. Nur wenn in der Bisulfit behandelten DNA an dieser
Stelle ein methyliertes Cytosin vorgelegen hat, kommt es zu einer
Hybridisierungsreaktion der amplifizierten DNA mit dem Oligonukleotid.
Somit kann der Methylierungsstatus des jeweiligen zu untersuchenden Cytosins über das
Hybridisierungsprodukt abgeleitet werden.
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Um den Methylierungsstatus der Position
zu überprüfen, wird
eine Probe des Amplifikats weiterhin an ein anderes Oligonukleotid
hybridisiert, das vorher an eine feste Phase gebunden wurde. Dieses
Oligonukleotid ist identisch zu dem Oligonukleotid, das vorher benutzt
wurde, um den Methylierungsstatus der Probe zu analysieren, mit
der Ausnahme der fraglichen Position. An der zu analysierenden Position
umfaßt
das Oligonukleotid eine Thymin-Base, im Gegensatz zu einer Cytosin-Base
d.h. AGGAAGGTGGTGGGTTT (Seq. ID No. 148). Daher findet die Hybridisierungsreaktion
nur statt, falls ein nicht-methyliertes Cytosin an der zu analysierenden
Positionen vorhanden ist. Das Verfahren wurde an zwei Zellproben
aus 2 Patienten durchgeführt, wobei
Probe I aus gesundem Gewebe und Probe II von einer Oligodendroglyom
Cerebrum-Tumorprobe stammte.
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Aus den Ergebnissen (1) kann gesehen werden, daß Probe
I methyliert war und Probe II nicht-methyliert war.
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Beispiel 2: Diagnose von
mit DNA Reparatur assoziierten Erkrankungen
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Um einen Bezug der Methylierungsmuster
zu einer der mit DNA Reparatur assoziierten Erkrankungen herzustellen,
bedarf es zunächst
der Untersuchung der DNA-Methylierungsmuster
einer Gruppe von erkrankten und einer Gruppe von gesunden Personen.
Diese Untersuchungen werden zum Beispiel analog dem Beispiel 1 durchgeführt. Die
so er haltenen Ergebnisse werden in einer Datenbank abgespeichert
und die CpG Dinukleotide identifiziert, die zwischen den beiden
Gruppen unterschiedlich methyliert sind. Dies kann durch Bestimmung
einzelner CpG Methylierungsraten erfolgen, wie dies z. B. durch
Sequenzieren relativ ungenau oder aber durch eine Methylierungs-sensitive „Primer-Extension-Reaktion" sehr genau möglich ist.
Auch gleichzeitige Analyse des gesamten Methylierungsstatus ist
möglich,
und die Muster können
z.B. mittels Clustering-Analysen, die z.B. durch einen Rechner durchgeführt werden
können,
verglichen werden.
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Nachfolgend ist es möglich, untersuchte
Patienten einer bestimmten Therapiegruppe zuzuordnen und diese Patienten
gezielt mit einer individualisierten Therapie zu behandeln.
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Beispiel 2 kann zum Beispiel für die folgenden
Erkrankungen durchgeführt
werden: Ataxie-Telangiectasie, Alterung, Bloom's Syndrom, Immundefizienz, Cockayne
Syndrom, Nijmegen Bruchsyndrom, Trichothiodystrophie, Fanconi's Anämie, Werner
Syndrom, solide Tumore und Krebs.
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Tabelle 1
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Auflistung
von besonders bevorzugten Genen der vorliegenden Erfindung, die
mit der DNA Reparatur assoziiert sind