Анализ дифференциального метилирования геномов методами непредвзятого скрининга
Диссертация
В настоящем исследовании на основе анализа ранее разработанных методов сформирована обобщенная схема непредвзятого метода скрининга дифференциального метилирования геномов, включающая в себя этапы подготовки эпигеномных репрезентаций, их редукции, разделения элементов репрезентаций, определения геномной принадлежности элементов репрезентаций и их сравнения. Авторами методов предложено большое… Читать ещё >
Содержание
- СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
- Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
- 1. 1. Значение метилирования ДНК в норме и патологии
- 1. 2. Распределение СрО-динклеотидов в геноме. СрО-островки
- 1. 3. Дифференциальное метилирование ДНК
- 1. 4. Аномальное метилирование генов, вовлеченных в канцерогенез
- 1. 5. Методы анализа метилирования ДНК
- 1. 5. 1. Методы ген-специфического анализа метилирования ДНК
- 1. 5. 2. Методы скрининга дифференциального метилирования геномов нормальных и опухолевых клеток
- 1. 6. Обобщенный алгоритм геномного скрининга дифференциального метилирования ДНК
- 1. 7. Способы оптимизации методов поиска и идентификации СрО-островков, аномально метилированных в процессе канцерогенеза
- 1. 8. Программное обеспечение скрининга дифференциального метилирования геномов
- РЕЗЮМЕ
- Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
- 2. 1. Выявление дифференциально метилированных локусов геномов
- 2. 1. 1. Выделение геномной ДНК
- 2. 1. 2. Ферментативный гидролиз ДНК
- 2. 1. 3. Лигирование с адаптерами
- 2. 1. 4. Полимеразная цепная реакция для метода АИМС
- 2. 1. 5. Электрофорез ПААГ
- 2. 1. 6. Фрагментный анализ продуктов АИМС
- 2. 1. 7. Рестриктазное картирование
- 2. 1. 8. Обработка ДНК бисульфитом натрия
- 2. 1. 9. Метилспецифическое секвенирование
- 2. 1. 10. Электрофорез МБ-ББСА
- 2. 2. Разработка алгоритмов и программного обеспечения непредвзятого скрининга дифференциального метилирования геномов
- 2. 2. 1. Модель обработки геномной ДНК эндонуклеазой рестрикции
- 2. 2. 2. Калибровка электрофореграмм по маркеру молекулярного веса
- 2. 1. Выявление дифференциально метилированных локусов геномов
- 3. 1. Оптимизация алгоритма непредвзятого скрининга дифференциального метилированния геномов
- 3. 1. 1. Требования к современному методу скрининга дифференциального метилирования геномов
- 3. 1. 2. Оптимизация метода скрининга на основе анализа обобщенной схемы и алгоритма АИМС
- 3. 2. Алгоритм и компьютерная программа моделирования результатов экспериментов АИМС с использованием баз данных нуклеотидных последовательностей
- 3. 2. 1. Алгоритм и компьютерная программа AIMS in silico
- 3. 3. Характеристика иерархии продуктов АИМС и описание количественных и качественных параметров репрезентаций АИМС
- 3. 3. 1. Количественная и качественная характеристика распределения сайтов узнавания эндонуклеазы рестрикции Xmal в геноме человека
- 3. 3. 2. Количественная иерархия продуктов АИМС генома человека
- 3. 3. 3. Качественный состав продуктов АИМС генома человека и дизайн экспериментов АИМС при помощи программы AIMS in silico
- 3. 3. 4. Компьютерная программа визуализации данных экспериментов и дифференциации эпигеномных профилей
- 3. 4. Алгоритм и компьютерная программа геномной идентификации выявляемых дифференциально метилированных участков ДНК
- 3. 5. Анализ дифференциального метилирования ДНК клеточных линий рака молочной железы
- 3. 5. 1. Выявление и картирование дифференциально метилированных локусов геномов
- 3. 5. 2. Анализ дифференциально метилированных локусов, выявленных АИМС, методом метилспецифического секвенирования
Список литературы
- Альберте Б., Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки. // 1994. Издательство: Мир, Том 2, С.: 539
- Залетаев Д.В., Горбунова В. Н., Бабенко О. В. Онкогеномика и молекулярная диагностика в онкологии // 2005. Геномика медицине. Научное издание / Под ред. академика РАМН В. И. Иванова и академика РАН Л. Л. Киселева. — М.: ИКЦ «Академкнига» — 392 е.: ил.
- Землякова В.В., Жевлова А. И., Стрельников В. В. и др. Аномальное метилирование некоторых генов-супрессоров при спорадическом раке молочной железы.// 2003. Мол. Биол., 4, 693 703.
- Кузнецова Е.Б., Кикеева Т. В., Ларин С. С., Землякова В. В., Бабенко О. В., Немцова М. В., Залетаев Д. В., Стрельников В. В. Новые маркеры метилирования и экспессии генов при раке молочной железы // 2007. Молекулярная биология, 41(4), 624 633.
- Кузнецова Е.Б., Стрельников В. В. Методы анализа метилирования ДНК // 2006. Медицинская генетика, 5(11), 3−11.
- Стрельников В.В., Землякова В. В., Белецкий И. П., Грановский И. Э., Пальцева Е. М., Залетаев Д. В. ДНК-микрочипы в диагностике онкологических заболеваний // 2008. Молекулярная медицина, 5, 4−11.
- Abe М., Okochi Е., Kuramoto Т., Kaneda A., Takato Т., Sugimura Т., Ushijima Т. Cloning of the 5' upstream region of the rat pl6 gene and its role in silencing. // 2002. Jpn. J. Cancer Res. 93(10), 1100−1106.
- Abe M., Ohira M., Kaneda A., Yagi Y., Yamamoto S., Kitano Y., Takato Т., Nakagawara A., Ushijima T. CpG Island Methylator Phenotype Is a Strong Determinant of Poor Prognosis in Neuroblastomas // 2005. Cancer Res., 65, 828 -834.
- Ahuja N., Issa J.P. Aging, methylation and cancer // 2000. Histol Histopathol, 15(3), 835 842.
- Amir R.E., Van den Veyver I.B., Wan M., et al. Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2 // 1999. Nat. Genet., 23(2), 185 188.
- Andrade L., Manolakos E.S. Signal Background Estimation and Baseline Correction Algorithms for Accurate DNA Sequencing // 2003. Journal of VLSI Signal Processing, 35, 229 -243.
- Baylin S.B., Herman J.G., Graff J.R., et al. Alterations in DNA methylation: a fundamental aspect of neoplasia // 1998. Adv. Cancer. Res., 72, 141 196.
- Bestor T.H. The DNA methyltransferases of mammals // 2000. Hum. Mol. Genet. 9, 2395 2402.
- Bird A. DNA methylation patterns and epigenetic memory // 2002. Genes & Dev. 16, 6−21.
- Bianco T., Hussey D., Dobrovic A. Methylation-Sensitive, Single-Strand Conformation Analysis (MS-SSCA): A Rapid Method to Screen for and Analyze Methylation // 1999. Human Mutation, 14, 289 293.
- Bikandi J., Millan R.S., Rementeria A., Garaizar J. In silico analysis of complete bacterial genomes: PCR, AFLP-PCR, and endonuclease restriction // 2004. Bioinformatics, 20(5), 798 799.
- Bock C. Epigenetic biomarker development // 2009. Epigenomics, 1(1), 99−110.
- Brock G.J.R., Huang T. H., Chen C., Johnson K.J. A novel technique for the identification of CpG islands exhibiting altered methylation patterns (ICEAMP) // 2001. Nucleic Acids Res., 29, el23.
- Brown C.G. The DNA sequencing renaissance and its implications for epigenomics // 2009. Epigenomics, 1(1), 5 8.
- Chen R.Z., Pettersson U., Beard C., et al. DNA hypomethylation leads to elevated mutation rates // 1998. Nature. 395(6697), 89 93.
- Costello J.F., Plass C. Methylation matters // 2001. J. Med. Genet., 38, 285 303.
- Costello J.F., Hong C., Plass C., Smiraglia D.J. Restriction landmark genomic scanning: analysis of CpG islands in genomes by 2D gel electrophoresis // 2009. Methods Mol. Biol., 507,131 -48.
- Cross S.H., Bird A.P. CpG islands and genes // 1995. Curr. Opin. Genet. Dev. 5(3), 309−314.
- Esteller M. Cancer epigenomics: DNA methylomes and histone-modification maps // 2007. Nature Reviews Genetics, 8, 286 298.
- Esteller M. DNA Methylation: Approaches, Methods and Applications // 2005. CRC Press, FL, USA, (2005).
- Esteller M., Corn P., Baylin S., Herman J. A gene hypermethylation profile of human cancer. // 2001. Can.Res., 61, 3225 3229.
- Evron E., Umbricht C.B., Korz D. et al. Loss of Cyclin D2 Expression in the Majority of Breast Cancers Is Associated with Promoter Hypermethylation // 2001. Cancer Res. 61,2782−2787.
- Fraga M.F., Esteller M. DNA methylation: a profile of methods and applications // 2002. BioTechniques, 33, 632−649.
- Frigola J., Sole X., Paz M.F., Moreno V., Esteller M., Capella G., Peinado M.A. Differential DNA hypermethylation and hypomethylation signatures in colorectal cancer // 2005. Hum. Mol. Genet., 14, 319 326.
- Gardiner-Garden M., Frommer M. CpG islands in vertebrate genomes // 1987. J Mol. Biol., 196(2), 261 -282.
- Gebhard C., Schwarzfischer L., Pham T.-H., Schilling E., Klug M., Andreesen R., Rehli M. Genome-Wide Profiling of CpG Methylation Identifies Novel Targets of Aberrant Hypermethylation in Myeloid Leukemia // 2006. Cancer Res., 66, 6118 -6128.
- Gitan R.S., Shi H., Chen C., Yan P. S., Huang T.H. Methylation-Specific Oligonucleotide Microarray: A New Potential for High-Throughput Methylation Analysis // 2002. Genome Res., 12,158−164
- Gonzalgo M.L., Liang G., Spruck C.H., III, Zingg J., Rideout W.M., Jones P.A. Identification and Characterization of Differentially Methylated Regions of Genomic DNA by Methylation-sensitive Arbitrarily Primed PCR // 1997. Cancer Res., 57, 594 599.
- Gonzalgo M.L., Hayashida T., Bender C.M., Pao M.M., Tsai Y.C., Gonzales F.A., Nguyen H.D., Nguyen T.T., Jones P.A.The Role of DNA Methylation in Expression of the p 19/p 16 Locus in Human Bladder Cancer Cell Lines // 1998, Cancer Res., 58, 1245 1252.
- Graham II M.L., Dalquist K.E., Horwitz K.B. Simultaneous Measurement of Progesterone Receptors and DNA Indices by Flow Cytometry: Analysis of Breast Cancer Cell Mixtures and Genetic Instability of the T47D Line // 1989. Cancer Res., 49, 3943−3949.
- Hong C., Bollen A.W., Costello J.F. The Contribution of Genetic and Epigenetic Mechanisms to Gene Silencing in Oligodendrogliomas // 2003. Cancer Res, 63- 7600 -7605.
- Issa J.P., Ahuja N., Toyota M., Bronner M.P., Brentnall T.A. Accelerated Age-related CpG Island Methylation in Ulcerative Colitis // 2001. Cancer Res., 61, 3573 -3577.
- Jacinto F.V., Ballestar E., Esteller M. Methyl-DNA immunoprecipitation (MeDIP): hunting down the DNA methylome // 2008. BioTechniques, 44(1), 35 39.
- Jacob S., Moley K.H. Gametes and Embryo Epigenetic Reprogramming Affect Developmental Outcome: Implication for Assisted Reproductive Technologies // 2005. Pediatr. Res. 58, 437 446.
- James S.J., Pogribny I.P., Pogribna M., Miller B.J., Jernigan S., Melnyk S. Mechanisms of DNA Damage, DNA Hypomethylation, and Tumor Progression inthe Folate/Methyl-Deficient Rat Model of Hepatocarcinogenesis // 2003. J. Nutr., 133, 3740 3747.
- Hajkova P., El-Maarri O., Engemann S., Oswald J., Olek A., Walter J. DNA-Methylation Analysis by the Bisulfite-Assisted Genomic Sequencing Method2002. Methods in Molecular Biology, vol. 200, 143−154
- Haspel J., Blanco C., Jacob J., Grumet M. Promoter Methylation Analysis on Microdissected Paraffin-Embedded Tissues Using Bisulfite Treatment and PCR-SSCP // 2001. BioTechniques, 30, 66 72.
- Kanel T., Gerber D., Schaller A., Baumer A., Wey E., Jackson C.B., Gisler F.M., Heinimann K., Gallati S. Quantitative 1-Step DNA Methylation Analysis with Native Genomic DNA as Template // 2010. Clin. Chem., 56, 1098 1106.
- Kantlehner M., Kirchner R., Hartmann P., Ellwart J.W., Alunni-Fabbroni M., Schumacher A. A high-throughput DNA methylation analysis of a single cell // 2011. Nucleic Acids Res., 10,1093/nar/gkql357.
- Khodosevich K.V., Lebedev Yu.B., Sverdlov E.D. The Tissue-Specific Methylation of Human-Specific Endogenous Retroviral LTRs // 2004. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 30(5), 441 445.
- Koike K., Matsuyama T., Ebisuzaki T. Epigenetics: application of virtual image restriction landmark genomic scanning (Vi-RLGS) // 2008. FEBS Journal, 275(8), 1608 1616.
- Levine J.J., Stimson-Crider K.M., Vertino P.M. Effects of methylation on expression of TMS1/ASC in human breast cancer cells // 2003. Oncogene, 22, 3475 3488.
- Li L.C., Dahiya R. MethPrimer: designing primers for methylation PCRs // 2002. Bioinformatics, 18(11), 1427 1431.
- Marshall O.J. PerlPrimer: cross-platform, graphical primer design for standard, bisulphite and real-time PCR // 2004. Bioinformatics, 20(15), 2471−2472.
- Morey S.R., Smiraglia D.J., James S.R., Yu J, Moser M.T., Foster B.A., Karpf A.R. DNA Methylation Pathway Alterations in an Autochthonous Murine Model of Prostate Cancer// 2006. Cancer Res., 66,11 659 11 667.
- NCBI Human Genome Build GRCh37http ://www.ncbi.nlm.nih.gov/proj ects/genome/assembly/grc/
- Nemtsova M., Zemlyakova V., Kusnetsova E., Strelnikov V., Lyubchenko L., Zaletayev D. Methylation profiling of carcinogenesis-associated genes in sporadic breast cancer // 2005. Breast Cancer Research, 7(Suppl 2), P4.17.
- Okano M., Bell D.W., Haber D.A., Li E. DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b are essential for de novo methylation and mammalian development // 1999. Cell. 99(3), 247−257.
- Pattyn F., Hoebeeck J., Robbrecht P., Michels E., De Paepe A., Bottu G., Coornaert D., Herzog R., Speleman F., Vandesompele J. methBLAST and methPrimerDB: web-tools for PCR based methylation analysis // 2006, BMC Bioinformatics, 7, 496.
- Rauch T.A., Zhong X., Wu X. et al.: High-resolution mapping of DNA hypermethylation and hypomethylation in lung cancer // 2008. Proc. Natl Acad. Sei. USA, 105(1), 252−257.
- Rein T., DePamphilis M.L., Zorbas H. Identifying 5-methylcytosine and related modifications in DNA genomes // 1998. Nucleic Acids Research, 26(10), 2255 -2264.
- Rohlin A., Wernersson J., Engwall Y., Wiklund L., Bjork J., Nordling M. Parallel Sequencing Used in Detection of Mosaic Mutations: Comparison With Four
- Diagnostic DNA Screening Techniques // 2009. Human Mutation, 30 (6), 1012 -1020.
- Rouillard J., Erson A.E., Kuick R., Asakawa J., Wimmer K., Muleris M., Petty E.M., Hanash S. Virtual Genome Scan: A Tool for Restriction Landmark-Based Scanning of the Human Genome // 2001. Genome Res., 11, 1453 1459.
- Salem C.E., Markl I.D., Bender C.M., Gonzales F.A., Jones P.A., Liang G. PAX6 methylation and ectopic expression in human tumor cells // 2000. Int J Cancer, 87(2), 179- 185.
- Seelan R.S., Pisano M.M., Greene R.M., Casanova M.F., Parthasarathy R.N. Differential methylation of the gene encoding myo-inositol 3-phosphate synthase (Isynal) in rat tissues // 2011. Epigenomics, 3(1), 111 124.
- Serre D., Lee B.H., Ting A.H. MBD-isolated Genome Sequencing provides a high-throughput and comprehensive survey of DNA methylation in the human genome // 2010. Nucleic Acids Res., 38, 391 399.
- Shin S.H., Kim B.H., Jang J. J., Suh K.S., Kang G.H. Identification of novel methylation markers in hepatocellular carcinoma using a methylation array // 2010. J. Korean Med. Sci., 25(8), 1152 1159.
- Shpigelman E.S., Trifonov E.N., Bolshoy A.: CURVATURE: software for the analysis of curved DNA // 1993. Comput. Appl. Biosci., 9, 435 440.
- Smiraglia D.J., Kazhiyur-Mannar R., Oakes C.C. et al. Restriction Landmark Genomic Scanning (RLGS) spot identification by second generation virtual RLGS in multiple genomes with multiple enzyme combinations // 2007. BMC Genomics, 8, 446.
- Stellwagen N.C. Anomalous electrophoresis of DNA restriction fragments on Polyacrylamide gels // 1983. Biochemistry, 22(26), 6186 6193.
- Strelnikov V.V., Kuznetsova E.B., Larin S.S., Nemtsova M.V., Zaletayev D.V. Novel cancer related genes and methylation/expression markers associated with breast cancer // 2006a. AACR Meeting Abstracts, Nov 2006, B129.
- Strelnikov V.V., Kuznetsova E.B., Larin S.S., Nemtsova M.V., Zaletayev D.V. Identification of novel methylation/expression markers and genes associated with breast cancer // 2006b. AACR Meeting Abstracts, Sep 2006, A126.
- Suijkerbuijk K. P. M., van Diest P. J., van der Wall E. Improving early breast cancer detection: focus on methylation // 2011. Ann. One., 22, 24 29.
- Takai D., Jones P.A. Comprehensive analysis of CpG islands in human chromosomes 21 and 22 // 2002. PNAS, 99, 3740 3745.
- Ting A.H., Jair K.W., Schuebel K.E., Baylin S.B. Differential requirement for DNA methyltransferase 1 in maintaining human cancer cell gene promoter hypermethylation // 2006. Cancer Res., 66, 729 735.
- Trifonov E.N. Curved DNA // 1985. CRC Crit Rev Biochem, 19(2), 89 106.
- Ushijima T. Detection and interpretation of altered methylation patterns in cancer cells // 2005. Nat. Rev. Cancer, 5(3), 223 231.
- Waki T., Tamura G., Sato M., Terashima M., Nishizuka S. and Motoyama T. Promoter methylation status of DAP-kinase and RUNX3 genes in neoplastic and non-neoplastic gastric epithelia // 2003. Cancer Sei, 94(4), 360 364.
- Wang W., Srivastava S. Strategic Approach to Validating Methylated Genes as Biomarkers for Breast Cancer // 2010. Cancer Prevention Research, 3,16 24.
- Weber M., Davies J .J., Wittig D. et al. Chromosome-wide and promoter-specific analyses identify sites of differential DNA methylation in normal and transformed human cells // 2005. Nat. Genet. 37(8), 853 862.
- Wojdacz T.K. Current methylation screening methods // 2009. Epigenomics, 1(2), 223 226.
- Woodcock D.M., Linsenmeyer M.E., Doherty J.P., Warren W.D. DNA methylation in the promoter region of the pl6 (CDKN2/MTS-1/INK4A) gene in human breast tumours // 1999. Br J Cancer, 79(2), 251 256.
- Yoder J.A., Walsh C.P., Bestor T.H. Cytosine methylation and the ecology of intragenomic parasites //1997. Trends Genet, 13(8), 335 340.
- Yoshikawa H., de la Monte S., Nagai H., Wands J.R., Matsubara K., Fujiyama A. Chromosomal assignment of human genomic NotI restriction fragments in a two-dimensional electrophoresis profile // 1996. Genomics, 31(1), 28 35.
- Zerilli F., Bonanno C., Shehi E., Amicarelli G., Adlerstein D., Makrigiorgos G. M. Methylation-Specific Loop-Mediated Isothermal Amplification for Detecting Hypermethylated DNA in Simplex and Multiplex Formats // 2010. Clin. Chem., 56, 1287 1296.
- Zilberman D., Henikoff S. Genome-wide analysis of DNA methylation patterns // 2007. Development, 134, 3959 3965.lOO.Zuo T., Tycko B., Liu T.M., Lin H.J., Huang T.H. Methods in DNA methylation profiling // 2009. Epigenomics, 1(2): 331 345