Development and application of CGHPRO, a novel software package for retrieving, handling and analysing array CGH data

Abstract

Genome rearrangements contribute significantly to the etiology of genetic disorders but also to human genetic diversity and disease susceptibility. For the detection of submicroscopic deletions and duplications on a genome wide level, a BAC-Array based technique for comparative genomic hybridisation (Array CGH), using a high number of overlapping BACs covering the whole genome is now being applied. The resulting data output however is of a magnitude that requires powerful management tools for handling not only large data quantities but also for coping with data quality variation. To facilitate the analysis and management of array CGH data, I have developed a comprehensive software package called CGHPRO . Using the results from the image analysis software, CGHPRO allows hybridisation features to be checked with a variety of graphical representation options, thus enabling the selection of the most suitable normalisation method for individual experiments. A variety of options is then offered to characterize individual genomic profiles from the normalized data sets. All results are visualized in an interactive interface and stored in a database. The database allows the repetitive use of the stored results in comparative analyses, e.g. for investigating chromosomal aberration patterns in specific patient cohorts. In order to take the resolution of ArrayCGH applications beyond the BAC level CGHPRO allows the design of high-resolution specific sub-arrays. The power of CGHPRO was demonstrated in the analysis of 22 mentally retarded patients with submegabase resolution whole genome tiling path BAC array CGH, which led to the identification of 20 deletions and two duplications. Additionally, as a proof of principle for CGHPRO assisted sub- array design, the breakpoints from a balanced translocation t(1;13) were successfully fine mapped. When comparing the breakpoint regions for the 22 mentally retarded patients with those from a set of 41 balanced translocation carriers, in 6 of 22 unbalanced aberrations, breakpoint flanking duplications with a high degree of sequence similarity were found, suggesting that unequal crossing over might be one factor in chromosome instability. In all 41 balanced translocations however, even though breakpoint flanking duplications were observed, sequence homology between them never occured. This second finding indicates the existence of additional chromosomal instability factors which depend on or coincide with segmental duplications. Taken Together, the results presented here demonstrate the powerful enhancement of the Array-CGH technique by the development and application of a versatile data management and ananlysis tool. It can be concluded, that the implementation of the protocols introduced here will, also for studies in large patient cohorts, greatly facilitate the identification and investigation of disease-associated chromosomal aberrations.

Strukturelle Veränderungen im menschlichen Genom leisten einen signifikanten Beitrag zur Ätiologie genetischer Erkrankungen, aber auch zur genetischen Vielfalt sowie zur Kranheitsdisposition. Zum genomweiten Nachweis von submikroskopischen Deletionen und Duplikationen wird inzwischen vielfach eine BAC-Array basierte Methode zur vergleichenden Genomhybridisierung (array based comparative genomic hybridisation, Array-CGH) eingesetzt. Dabei führt die hohe Dichte an überlappenden, das gesamte Genom abdeckenden BAC-Klonen dazu, dass bei Array-CGH Experimenten Datenmengen generiert werden, deren Umfang und qualitative Heterogenität spezielle Software-Werkzeuge für eine effektive Auswertung erfordern. Um die Analyse und Verwaltung von Array-CGH Daten zu erleichtern, habe ich das umfassende Software-Paket CGHPRO entwickelt. Dies ermöglicht dem Benutzer nach Übernahme der Daten von der Bildanalyse Software die Hybridisierungscharakteristika der einzelnen Experimente mit einer Reihe von graphischen Darstellungsoptionen zu überprüfen und eine jeweils geeignete Normalisierungsmethode auszuwählen. Für den Umgang mit den normalisierten Daten bietet das Programmpaket eine Auswahl an Methoden zur Charakterisierung individueller genomischer Profile. Alle Ergebnisse werden auf einer interaktiven Oberfläche dargestellt und in einer Datenbank abgelegt. Die Datenbak erlaubt die Verwendung der dort abgelegten Ergebnisse in vergleichenden Analysen wie z.B. der Suche nach Mustern chromosomaler Aberrationen innerhalb spezifischer Patientenkohorten. Um eine Auflösung über das mit BAC-Arrays erreichbare Maß hinaus zu erzielen, erlaubt CGHPRO das Design spezifischer hochauflösender Sub-Arrays. Die Leistungsfähigkeit von CGHPRO wurde im Rahmen einer Analyse von 22 mental retardierten Patienten demonstriert die, unter Verwendung eines genomweiten BAC-Array mit Auflösung im Submegabasen Bereich,zur Identifizierung von 20 Deletionen und zwei Duplikationen führte. Ausserdem wurden, um das CGHPRO- unterstützte Design von Sub-Arrays experimentell zu überprüfen, die Bruchpunkte einer bekannten balancierten t(1;13) Translokation erfolgreich feinkartiert. Beim Vergleich der Bruchpunktregionen der 22 mental retardierten Patienten mit den entsprechenden genomischen Bereichen von 41 Trägern balancierter Translokationen jedoch wurden bei 6 von 22 unbalancierten Translokationen bruchpunktflankierende Duplikationen mit einem hohen Grad an Sequenzhomologie beobachtet, was auf ungleiches Crossing-Over als einen Faktor chromosomaler Instabilität hindeutet. Bei allen 41 balancierten Translokationsfällen wurde trotz des Auftretens bruchpunktflankierender Duplikationen zwischen diesen niemals Sequenzhomologie gefunden. Letzteres weist auf das Vorhandensein weiterer chromosomaler Instabilitätsfaktoren hin, die entweder gemeinsam mit, oder in Abhängigkeit von segmentalen Duplikationen auftreten. Insgesamt wurde in dieser Arbeit demonstriert, wie durch die Entwicklung und Anwendung einer vielseitigen Datenmanagement- und Analysesoftware die Leistungsfähigkeit der Array-CGH stark erhöht werden kann. Die gezeigten Ergebnisse erlauben darüber hinaus die Schlußfolgerung, dass eine Implementierung der vorgestellten experimentellen Ansätze insbesondere auch beim Studium großer Patientenkohorten stark zur Erleichterung der Identifikation und Untersuchung krankheitsrelevanter chromosomaler Abberationen beitragen wird.