Analyse der Genexpression von humanen T-Lymphocyten und Natural Killer-Zellen mittels Oligonucleotid Fingerprinting

Abstract

Trotz intensiver Bemühungen ist bis heute kein allgemeingültiger Durchbruch in der Krebstherapie gelungen. Auch in der heutigen Zeit lautet in Deutschland nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen die zweithäufigste Ursache aller Todesfälle Krebs. Leukämien kommen dabei mit einer Häufigkeit von etwa 5% aller Krebserkrankungen vor. Die Ursachen für die Entstehung von Leukämien sind bis heute nicht vollständig geklärt. Die Identifizierung der Gene, die Krebserkrankungen verursachen oder an deren Entstehung und Progression maßgeblich beteiligt sind, ist ein zentrales Ziel in der Forschung. In zunehmendem Maße wurden in den letzten Jahren die Erkenntnisse über den engen Zusammenhang zwischen dem Befund einer hämatoblastischen Erkrankung und deren klinischen Eigenschaften, wie der Therapierbarkeit oder der Überlebensrate, immer deutlicher. Diese Eigenschaften beruhen auf der Regulation und der Expression bestimmter Gene, wobei die mRNA einer Zellpopulation ihr Genexpressionspattern in der Zelle widerspiegelt. Neoplastische Zell-Linien erweisen sich als sehr nützlich und hilfreich, um mehr über die Biologie der immunologischen Zellen und insbesondere über ihre Alteration und Entartung erfahren zu können. Aufgrund der Häufigkeit ihrer Beteiligung an leukämischen Erkrankungen sind die in dieser Arbeit interessierenden Zellen humane T-Lymphocyten sowie Natural Killer-Zellen. Dabei handelt es sich um etablierte Zell-Linien, die ursprünglich aus Patienten mit akuten Leukämien (T-ALL und NK-LGL) isoliert wurden. Die Array-Technologie hat bereits in weiten Gebieten der Biologie und Medizin Einzug gehalten und ist ein wesentlicher und unverzichtbarer Bestandteil der heutigen Forschung. Eine Vielzahl an anwendungsbezogenen Variationen dieser effizienten Hochdurchsatz-Technologie wurde in den letzten Jahren entwickelt und zum Einsatz gebracht. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Charakterisierung der Genexpression dieser beiden leukämischen Zell-Linien mit Hilfe der bewährten Methode des Oligonucleotid Fingerprintings (ONF), einer hoch parallelen und automatisierten Methode der Genexpressionsanalyse und des Sequenzierens durch Hybridisieren. Dabei sollen die Muster der Genexpression beider Lymphocytenlinien der klinisch ähnlichen Krankheiten miteinander verglichen werden, um Ähnlichkeiten und Unterschiede im Genexpressionspattern zu erkennen und ein sogenanntes globales differentielles Display zu erstellen und neue Gene immunologischer Relevanz zu finden. Dazu wurden cDNA-Bibliotheken aus mRNA der beiden Zell-Linien erstellt. Die erhaltenen Klone wurden mit Hilfe eines automatischen Picking- Roboters in Microtiterplatten übertragen, mittels PCR amplifiziert und auf Nylonmembranen transferiert. Die Bibliothek der T-Zell-Linie Jurkat enthält etwa 23.100 Klone, die Bibliothek der NK-Zell-Linie NKL etwa 34.000 Klone. Anschließend an die ONF-Hybridisierungen von 225 radioaktiv markierten Oligonucleotiden bekannter Sequenz und den sich daraus ergebenden experimentellen Fingerprints folgte die Clustering-Analyse, eine Methode des paarweisen Vergleichs dieser Fingerprints zur Identifizierung von gleichen oder ähnlichen Klonen und das Ordnen dieser Klone in Gruppen sogenannter Cluster, die für dasselbe Gen codieren. Im sich anschließenden Co-Clustering beider Bibliotheken konnten die Genexpressionsmuster beider Leukämie-Zell- Linien verglichen und Unterschiede in der Expression gefunden werden. Die Anzahl der Mitglieder eines Clusters spiegelt das relative Expressionsniveau des vom Cluster repräsentierten Gens in der Zelle wider. Datenbankanalysen und Sequenzierungen der ein Cluster repräsentierenden Klone wurden durchgeführt, um bekannte Gene zu identifizieren und unbekannte Gene zu finden. Insgesamt konnten so 1.409 Co-Cluster mit mehr als 5 Mitgliedern identifiziert werden, wovon 538 Co-Cluster in beiden Bibliotheken signifikant differentiell exprimiert werden. Von diesen 538 differentiell exprimierten Co-Clustern kommen 324 NKL-spezifisch und 214 Jurkat-spezifisch vor. 135 Co-Cluster mit mehr als 5 Mitgliedern konnten bisher nicht identifiziert werden und stellen somit eventuell neue Kandidatengene für weitere Studien dar. Von diesen 135 unbekannten Co-Clustern werden 43 differentiell exprimiert. 19 Cluster davon kommen differentiell in der Zell-Linie Jurkat zur Expression, 24 in der NKL- Linie. Zur Validierung der Co-Clustering-Ergebnisse wurden Northern- Hybridisierungen durchgeführt, in denen die Erkenntnisse hinsichtlich der Tendenz der differentiellen Expression im Allgemeinen bestätigt werden konnten, darunter beispielsweise auch die Gene für CD3E ? oder NKG2-D, die für ihre ausschließliche Expression in T- bzw. NK-Zellen in der Literatur bekannt sind. Die Methode des Oligonucleotid Fingerprintings eröffnet auch Möglichkeit der Erstellung eines sogenannten Unigene-Sets, eines Arrays nicht-redundanter cDNA-Klone. Somit konnten die Redundanz der exprimierten Sequenzen verringert und die Bibliotheken normalisieret werden. Damit steht ein bisher einzigartiges Tool zur Verfügung, welches neben all den in der normalen Zelle exprimierten Genen auch solche Gene enthält, die spezifisch in der entsprechenden Leukämieform zur Expression kommen. Dies erlaubt in quantitativen Expressionsanalysen eine weitere Identifizierung und Charakterisierung exprimierter Gene oder auch vergleichende Komplex- Hybridisierungen, beispielsweise zum Screening leukämischer Patienten. Weiterhin können Hybridisierungen mit den Unigene-Sets, die in dieser Arbeit erstellt wurden, zur Differenzierung der Diagnose und Klassifizierung des Leukämietyps beitragen. Diese Untersuchungen können einen Beitrag zu Studien über neue Angriffsstellen für Medikamente leisten, die für neue wirksamere Therapien von wesentlicher Bedeutung sein können, sowie zur molekularen Charakterisierung der Medikamentenresistenz oder der Identifizierung neuer prognostischer Marker der Leukämien. Weiterhin ermöglicht die gerichtete Klonierung der cDNA-Fragmente in einen Expressionsvektor in weiterführenden Experimenten eine Expression der für Proteine codierenden Fragmente. Die Bibliotheken können so genutzt werden, um die Expression interessierender Proteine zu untersuchen oder Antikörper zu generieren.

Leukemic diseases are proliferative processes of hematopoetic origin, where malignant alteration and proliferation can occur at each stage of blood cell development. On the stage of an immature cell a proliferative event is defined as an acute leukemia, whereas on the stage of a mature cell as a chronical leukemia. T lymphocytes (T cells) and Natural Killer cells (NK cells) are frequently involved in leukemic process. In physiological conditions, both cell types are involved in immune responses against viruses and to lesser extend against bacteria, protozoa and fungi. They differentiate from a multipotent lymphoid stem cell. T lymphocytes (70 - 75% of all lymphocytes and 20 - 30% of the leukocytes) have been divided into subtypes according to their functions. Cytotoxic T cells (Tc) normally are involved in cellular immune responses, whereas T helper cells (Th) in regulation of both responses, cellular and humoral. Natural Killer cells (10 - 15% of lymphocytes) are involved in non-specific cellular responses, -exhibiting natural killing activity of tumor and virally infected cells. This non-specific cellular activity (NK activity) is MHC- and antigen-independent. On the other hand they show antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC). Therefore NK cells are involved in early innate immune responses and antigen-specific, adaptive humoral responses. The cause of leukemia is only partially understood. It is a result of complex interaction of genetic and exogenous factors. Risk factors comprise ionizing radiation (X-rays), chemical leukemogenes (benzene), viruses (especially RNA-viruses like HTLV) or genetic / hereditary factors like chromosomal alteration (Philadelphia-Chromosome and other translocations; oncogenes / protooncogenes; Down syndrome). Due to uncontrolled division, leukocytes can invade tissues and organs other than bone marrow and blood. In Germany and other industrial countries about 8 to 11 individuals per 100 000 inhabitants suffer from various kinds of leukemia per year. In our experiments we used two established cell lines -Jurkat and NKL- obtained from leukemic patients. Jurkat cell line was obtained from a male acute T cell leukemia (T-ALL) patient and NKL cell line from a male acute Natural Killer cell leukemic patient (NK-LGL). The aim of our studies was to compare expression profiles of these two cell lines in order to identify cell-type-specific genes or gene families for these distinct types of cells and how they are related to immunological function, including new candidate genes. Furthermore we aim to relate gene-specific expression pattern to particular subtypes of leukemia. For this purpose we used an oligonucleotide fingerprinting method, which allows normalization of cDNA libraries as well as expression profiling studies and new candidate gene detection. This method allows not only for gene identification, but also quantitative expression studies. Moreover, oligonucleotide fingerprinting approach provided us with non-redundant cDNA clones array (unigene sets) for follow-up complex hybridization studies. Application of this method therefore allowed us to produce T cell and NK cell- specific unigene sets, representing non-redundant collection of cDNA clones, which will be subsequently used for complex hybridization studies.