English Title: Gene expression profiling of breast cancer tissues using whole genome cDNA microarrays

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Abstract

In dieser Arbeit wurden mithilfe der cDNA-Mikroarray-Technologie Genexpressionsänderungen in Brustkrebsgeweben gemessen, die mit den vier wichtigsten klinischen Parametern auf dem Gebiet der Brustkrebs-Behandlung einhergehen: Genexpressionsänderungen in Abhängigkeit vom Östrogenrezeptorstatus, dem Histologischen Grading, dem TNM-Status und der Expression des ErbB2-Rezeptors. Zwischen 78 hormonrezeptorpositiven und 43 hormonrezeptornegativen Mammakarzinomen wurden Genexpressionsunterschiede bestimmt. Dabei wurde das Vorliegen einer systematischen Messabweichung entdeckt, die durch das bevorzugte Auftreten einer lymphozytären Infiltration in hormonrezeptornegativen Brustkrebsgeweben hervorgerufen wurde. Mithilfe einer Varianzanalyse wurde diese systematische Messabweichung korrigiert und festgestellt, dass die Genexpressionsunterschiede zwischen hormonrezeptorpositiven und hormonrezeptornegativen Mammakarzinomen wesentlich geringer waren als in den bisher publizierten Studien beschrieben wurde. GO-Analysen konnten zeigen, dass von 44 differentiell exprimierten Genen bezüglich des Hormonrezeptorstatus überdurchschnittlich viele Funktionen beim Zellwachstum ausübten. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass bei positivem Hormonrezeptorstatus das antiproliferative Gen BTG3, der putative Tumor-Suppressor EXT1 und das wachstumsinhibierende Gen FABP7 inhibiert werden, wodurch die Proliferation östrogenrezeptorpositiver Mammakarzinome gefördert wird. In 118 Brustkrebsgeweben wurden Genexpressionsänderungen aufgrund des Histologischen Gradings gemessen. Eine Teststatistik mit linearer Regression wurde eingesetzt, um den progressiven und graduellen Charakter des Histologischen Gradings zu erfassen und 113 Gene zu identifizieren, deren Expression mit der Differenzierung des Brustkrebsgewebes korrelierte. KEGG-Pathway- und GO-Analysen zeigten, dass überdurchschnittlich viele dieser Gene Funktionen bei der mitotischen Zellteilung ausübten. Mithilfe einer SAM Survival Analyse wurde gezeigt, dass die Expression dieser Gene mit der Überlebenswahrscheinlichkeit der Brustkrebs-Patienten korrelierte. Damit wurde die Möglichkeit aufgezeigt, mithilfe der Expressionswerte von Genen, welche die Differenzierung des Mammakarzinoms charakterisieren, dieselbe prognostische Information zu erhalten wie bei Durchführung des Histologischen Gradings durch einen Pathologen. In 109 Mammakarzinomen wurden keine Genexpressionsänderungen aufgrund des Tumor Stagings gefunden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das Tumor Staging keine zugrundeliegenden molekularen Veränderungen während der Tumorprogression erfasst, sondern lediglich ein Maß dafür darstellt, wie fortgeschritten die Krankheit ist bzw. zu welchem Zeitpunkt des Krankheitsverlaufes ein Patient zur Therapie gelangt. Transkriptionelle Änderungen wurden gemessen, die bei einem Vergleich von 23 ErbB2-überexprimierenden Mammakarzinomen mit 103 Brustkrebsgeweben auftraten, die eine normale ErbB2-Expression aufwiesen. Dabei wurden in Mammakarzinomen mit ErbB2-Überexpression sieben Gene aufgrund einer genomischen Amplifikation der Region 17q12 überexprimiert: Neben den in der Literatur bekannten Genen ErbB2, PERLD1, GRB7, STARD3, und THRAP4 wurde auch ORMDL3 stärker transkribiert, wenn ErbB2 überexprimiert wurde. Eine neuartige Beobachtung war die verringerte Transkription des Gens C20orf35 in Mammakarzinomen mit ErbB2-Überexpression, das zu einer erhöhten Resistenz gegen Apotose führen könnte.

Translation of abstract (English)

By using cDNA microarray technology changes in the gene expression of breast cancer tissues were measured, which occurred as a result of the four most important clinical parameters in the treatment of breast cancer: Changes in the gene expression due to the status of the estrogen receptor, the histological grading of the tissue, the TNM status and the expression fo the ErbB2-receptor. Between 78 hormone receptor-positive and 43 hormone receptor-negative breast cancer tissues differences in gene expression were measured. The preferred occurrence of a lymphocytic infiltration in hormone receptor-negative brast cancer tissues led to a bias, which could be corrected by applying an ANOVA Analysis. It appears that the real difference in gene expression between hormone receptor-positive and hormone receptor-negative breast cancer is much smaller than previous studies suggested.GO-Analyses showed, that genes involved in cell growth were overrepresented among the 44 differentially expressed genes. From the results it was hypothesized, that the antiproliferative gene BTG3, the putative tumor suppressor gene EXT1, and the growth-inhibiting gene FABP7 are inhibited in homone receptor-positive breast cancer tissues, leading to increased proliferation in these cancer tissues. In 118 breast cancer tissues changes in gene expression were measured, which occured as a result of different histologic grading of the tumour. A teststatistic which used a linear regression was applied to fit the progressive and gradual character of histological grading and to identify 113 genes, whose expression was correlated with tumour differentiation. KEGG Pathway- and GO-Analysis showed an overrepresentation of genes involved in mitotic cell cycle. A SAM Survival analysis demonstrated, that the expression of these genes correlated with the survival of the patients. This result suggests the possibility, that gene expression profiling might obtain the same prognostic information like conventional histologic grading done by a pathologist. In 109 breast cancer tissues no changes in gene expression could be observed as a result of different TNM status. This result indicates that the TNM status does not reflect the undelying molecular changes, which occur in the progression of brast cancer. Transcriptional changes betweeen 23 breast cancer tissues with ErbB2-overexpression and 103 tissues with normal expression of ErbB2 were measured. In breast cancer tisses with ErbB2-overexpression seven genes were stronger transcribed due to a genomic amplification of the chromosomal locus 17q21: ErbB2, PERLD1, GRB7, STARD3, THRAP4 and ORMDL3 showed a stronger transcription, when ErbB2 was overexpressed. A new observation was the reduced transcription of the gene C20orf5 in breast cancer tissues with ErbB2-overexpression, possibly leading to an increased resistence against the induction of apoptosis.