Method Article
Aqui, descrevemos um procedimento para análise genoma de metilação de DNA em cânceres gastrointestinais. O procedimento é de relevância para estudos que investigam relações entre padrões de metilação de genes e fatores que contribuem para a carcinogênese em cânceres gastrointestinais.
A metilação do DNA é uma importante mudança epigenética que é biologicamente significativa e um foco frequente da pesquisa do câncer. A metilação de DNA em todo o genoma é uma medida útil para fornecer uma análise precisa do estado de metilação das malignidades gastrointestinais (GI). Dado os múltiplos usos translacionais potenciais da análise da metilação de DNA, os médicos praticantes e outros novos estudos de metilação de DNA precisam ser capazes de entender passo a passo como essas análises em todo o genoma são realizadas. O objetivo deste protocolo é fornecer uma descrição detalhada de como este método é usado para a identificação biomarcadora em malignidades gi. É importante ressaltar que descrevemos três etapas críticas necessárias para obter resultados precisos durante a análise em todo o genoma. De forma clara e concisa, esses três métodos são muitas vezes carentes e não perceptíveis para aqueles novos estudos epigenéticos. Foram utilizadas 48 amostras de uma malignidade gi (câncer gástrico) para destacar praticamente como a análise de metilação de DNA em todo o genoma pode ser realizada para as malignidades de GI.
Epigenética refere-se a alterações hereitárias na função genética sem alteração da sequência de DNA1. Tais alterações podem ser devido à metilação do DNA, na qual grupos de metila em uma base de DNA podem alterar a expressão genética através de alterações na embalagem de cromatina. O desenvolvimento e a progressão do câncer podem ocorrer se esse efeito resultar na expressão alterada dos genes supressores tumorais2. Envelhecimento e inflamação crônica são as causas do câncer e as principais razões para alterações na metilação do DNA em humanos3,4,5. Consequentemente, isso permite a utilização da metilação do DNA como biomarcador no diagnóstico de câncer, e como alvo de tratamento e prevenção. Para detecção precoce e prognóstico de câncer, a metilação de DNA está sendo medida em amostras de tumor, sangue, urina e fezes6, enquanto agentes desmetiladores estão sendo usados para tratar leucemias como a síndrome mielodsplásica7.
A análise de metilação de DNA em todo o genoma utilizando uma plataforma de matriz para avaliação complexa da metilação de DNA em um lócus cpg individual no genoma humano pode ser utilizada para examinar o status de metilação de mais de 450.000 locais de CpG no DNA genômico8,9, que permite a exploração de epigenéticas cancerígenas (ver Tabela de Materiais). As tecnologias de sequenciamento de bissulfito de genoma inteiro (WGBS) mudaram nossas abordagens no campo da epigenética10,11. No entanto, existem algumas desvantagens para as tecnologias em termos de um custo substancial e tempo de processamento para análise epigenética de um grande número de amostras10,11. Portanto, a plataforma de matriz é mais viável para avaliação complexa da metilação de DNA no genoma humano. A disponibilidade de abordagens para análises de metilação em todo o genoma melhorou nos últimos anos e nos permite expandir nosso conhecimento de como a metilação do DNA contribui para o desenvolvimento e progressão do câncer12. Os recentes avanços nas abordagens da plataforma de microarray nos fornecem a lógica para a análise da metilação em todo o genoma para identificar uma nova assinatura epigenética em cânceres gastrointestinais13. O objetivo deste protocolo é fornecer uma descrição detalhada de como este método é usado para identificação de biomarcadores em malignidades gi.
Todos os procedimentos seguidos estavam de acordo com os padrões éticos do comitê de ética em pesquisa humana das instituições. O estudo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional do Hospital Shizuoka da Universidade de Juntendo, e o consentimento por escrito foi dispensado por causa do desenho retrospectivo.
1. Lavar os slides
2. Raspando os slides
3. Tratamento de bisulfito
4. Plataforma de matriz para avaliação da metilação de DNA em um lócus CpG no genoma humano
5. PCR específico da metilação quantitativa (qMSP)
As características de 48 pacientes com câncer gástrico na coorte de formação são as seguintes (Tabela 2): a idade mediana dos pacientes foi de 74 anos (52 a 89 anos), e a coorte incluiu 38 homens (79,2%) e 10 mulheres (20,8%). Foram 35 pacientes (72,9%) com câncer gástrico primário e em 13 pacientes (27,1%) com câncer gástrico remanescente (câncer gástrico primário: primeira ocorrência de malignidade não metastática no estômago; câncer gástrico remanescente: câncer no estômago remanescente que se desenvolveu mais de 5 anos após a gastrectomia distal, independentemente da razão da ressecção original19). Foram 23 pacientes (47,9%) com metástase linfática e 25 pacientes (52,1%) Sem. Primeiro, todas as 48 amostras (a coorte de treinamento) foram carregadas para identificação de outliers(Figura 1A). Duas amostras deram picos superiores a dois desvios-padrão deslocados dos demais, e estas amostras foram removidas(Figura 1B). Portanto, 46 amostras foram agrupadas pela hipermetilação promotora de DNA. O mapa de calor resultante foi dividido em dois grupos baseados na alta e baixa metilação(Figura 2). Este mapa de calor permite a visualização das 50 principais sondas dentro de 1.500 bp do local de início transcricional (TSS) na análise diferencial de metilação. Os grupos de alta e baixa metilação diferem em fatores clinicopatológicos relacionados a um fenótipo maligno agressivo. Ou seja, o tipo de câncer (câncer gástrico primário: PGC) (p = 0,01, razão de chances = 9,09 (1,67-50,00)) e presença de metástase linfática (positiva) (p = 0,03, razão de chances = 6,82 (1,16-40,08)) emergiram como fatores preditivos independentes significativos quando os fatores clínicos foram utilizados como covariados na análise multivariada(Tabela 3). Finalmente, identificamos o gene EPB41L320,21 (sequências de primer e sonda mostradas na Tabela 1) como fortemente associado à codificação da coorte de treinamento em grupos de alta e baixa metilação na análise de microarray. Utilizando qMSP, foram validados os resultados da análise de microarray para EPB41L3 na coorte de teste (126 amostras). As características dos pacientes na coorte de teste são mostradas na Tabela 4. Os RMVs de EPB41L3 em tecidos PGC foram significativamente maiores do que os do câncer gástrico remanescente (RGC) na análise univariada (p = 0,01) (Figura 3A). Da mesma forma, os RMVs em amostras com metástase linfática foram significativamente maiores do que aqueles sem metástase linfática (p = 0,03) (Figura 3B). Dessa forma, a análise do genoma da metilação de DNA pode nos ajudar a identificar genes específicos para caracterizar determinado estado clínico em pacientes com malignidades gi.
Figura 1: Valores beta em 48 amostras (coorte de treinamento). Todas as 48 amostras (coorte de treinamento) foram carregadas e os outliers foram examinados(A). Duas amostras tinham picos que eram excepcionais, e estas foram removidas(B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: O mapa de calor resultante. As 46 amostras restantes foram agrupadas pela hipermetilação promotora de DNA. O mapa de calor foi dividido em grupos de alta e baixa metilação. Este mapa de calor permite a visualização das 50 principais sondas dentro de 1.500 bp do local de início transcricional (TSS) na análise diferencial de metilação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Valores relativos de metilação (RMVs) para EPB41L3 em câncer gástrico primário (PGC) vs. câncer gástrico remanescente (RGC), e em casos com e sem metástase do linfonodo. Os resultados da análise de microarray para EPB41L3 na coorte de teste (126 amostras) foram validados utilizando qMSP. (A) Na análise univariada, os RMVs de EPB41L3 em tecidos PGC foram significativamente maiores do que os do RGC (p = 0,01). (B) Da mesma forma, os RMVs em amostras com metástase do linfonodo foram significativamente maiores do que naqueles sem metástase linfática (p = 0,03). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Gene | Atacante 5' - 3' | Reverso 5' - 3' | Sonda |
B-ACTIN | TAG GGA GTA TAT AGG TTG GGG AAG TT | AAC ACA CAA TAA CAA ACA CAA ATT CAC | \56-FAM\ TGT GGG GTG \ZEN\ GTG ATG GAG GAG GTT TAG \3IABkFQ\ |
EPB41L3 | GGG ATA GTG GGG TTG ACG C | ATA AAA ATC CCG ACG AAC GA | AAA TTC GAA AAA CCG CGC GAC GCC GAA ACC A |
Tabela 1: Sequências de primer e sonda.
Fatores clinicopatológicos | Variáveis | |
Idade | 74 (52 - 89) * | |
Gênero | Masculino / Feminino | 38 (79.2%) / 10 (20.8%) |
Tipo | PGC / RGC | 35 (72.9%) / 13 (27.1%) |
Metástase do nódulo linfático | (+) / (-) | 23 (47.9%) / 25 (52.1%) |
PGC: Câncer gástrico primário, RGC: Câncer gástrico remanescente | ||
* Mediana (mínimo-máximo) |
Tabela 2: As características em 48 pacientes com câncer gástrico na coorte de treinamento.
Valor-P | Razão de chances | Intervalo de confiança de 95% | |
Tipo (PGC) | 0.01 | 9.09 | 1.67 – 50.00 |
Metástase do nódulo linfático (+) | 0.03 | 6.82 | 1.16 – 40.08 |
PGC: Câncer gástrico primário |
Tabela 3: Fatores preditivos para o grupo de alta metilação (Cluster B).
Fatores clinicopatológicos | Variáveis | |
Idade | 71 (33 - 86) * | |
Gênero | Masculino / Feminino | 96 (76.2%) / 30 (23.8%) |
Tipo | PGC / RGC | 87 (69.0%) / 39 (31.0%) |
Metástase do nódulo linfático | (+) / (-) | 50 (39.7%) / 76 (60.3%) |
PGC: Câncer gástrico primário, RGC: Câncer gástrico remanescente | ||
* Mediana (mínimo-máximo) |
Tabela 4: As características em 126 pacientes com câncer gástrico na coorte de teste.
Existem três etapas críticas na obtenção de resultados precisos da análise do genoma da metilação de DNA. A primeira é a macrodisseção de uma área tumoral por, preferencialmente, dois patologistas qualificados com base em seções representativas manchadas de H&E. A macrodisseção imprecisa pode causar contaminação com tecidos não cancerígenos adjacentes, o que gera resultados não confiáveis; assim, é necessária uma macrodisseção cuidadosa. A segunda é a avaliação da qualidade do DNA (verificação de qualidade: QC). Amostras que falham no QC (∆Cq > 5.0) podem dar dados de má qualidade. Portanto, devem ser removidas amostras com ∆Cq > 5.0 e outras utilizadas. O terceiro passo é o cálculo do valor β, que é determinado por uma ferramenta de análise de dados para o software da plataforma de array como o sinal metilado / o sinal total (metilado + não-metilado)17. O valor β varia de 0 a 1 (ou 0%-100%), o que é simples de interpretar biologicamente17. O principal problema com esse valor são suas propriedades estatísticas pobres, uma vez que sua alta heteroscedasticidade implica que a variância entre as amostras nos extremos da faixa de metilação (β = 0 ou β = 1) é altamente reduzida17. Além disso, devido à má qualidade amostral, os valores de β podem não apresentar picos bifásicos reprodutíveis22, e amostras sem esses picos devem ser excluídas de um estudo posterior. Além disso, o gene-alvo deve ser escolhido com base nos critérios de ter valores beta maiores, estar relacionado às ilhas CpG na região promotora e ser adequado para o projeto de primer e sonda para qMSP.
A avaliação da metilação de DNA em um lócus cpg no genoma humano é realizada usando tecnologia baseada em microarray com um número fixo de sondas para levantamento de loci genômico específico. É o método mais utilizado em estudos de associação epigenome-wide (EWAS) devido ao seu baixo custo, pequena quantidade de DNA necessária e tempo de processamento de amostras marcadamente menor, o que permite o processamento de alta produtividade de muitas amostras clínicas23. No entanto, uma plataforma de matriz para avaliação complexa da metilação de DNA em um lócus cpg individual é limitada pelo número e especificidade das sondas para loci alterado epigeneticamente, o que impede a exploração de algumas regiões genômicas. O WGBS é geralmente visto como o método padrão-ouro devido ao seu espectro mais amplo de cobertura genômica10,11. No entanto, este método tem um custo substancial e um tempo de processamento relativamente longo para análise de um grande número de amostras10,11. Assim, nem sempre é viável. Em comparação, a plataforma de matriz para avaliação complexa da metilação de DNA em um lócus cpg individual no genoma humano é razoável para uso em termos de custo e cobertura genômica. Recentemente, os mais recentes chips de contas atualizados se prepararam para usar24. Esses ensaios podem nos ajudar a analisar locais de CpG medidos quase duplicados, que podem alcançar o estudo ideal de associação genoma (GWAS) para grandes populações de amostras.
Em resumo, a análise do genoma da metilação de DNA com a plataforma de matriz para avaliação complexa da metilação de DNA em um lócus cpg individual no genoma humano pode fornecer informações importantes sobre biomarcadores epigenéticos no câncer gastrointestinal. Comparado com o WGBS, este método é econômico e reduz o tempo de processamento de amostras. Portanto, este método de detecção de metilação de DNA em um lócus CpG é provável que seja amplamente utilizado em pesquisas de biomarcadores epigenéticos.
Os autores não têm nada a revelar.
Somos especialmente gratos a todos os membros do Departamento de Cirurgia, do Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center na Johns Hopkins University School of Medicine por discussões úteis e apoio técnico. Agradecemos também a Kristen Rodgers por generosas orientações técnicas sobre os procedimentos para tratamento de bisulfato e qMSP.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(NH4)2SO4 | Sigma-Aldrich | 14148 | Step 5.2. |
10% Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Quality Biological | 351-032-721 EA | Step 2.1. |
100 % Ethanol | Sigma-Aldrich | 24194 | Step 1.7. |
ABI StepOnePlus Real-Time PCR System | Applied BioSystems | 4376600 | Step 5.2. 96-well Real-Time PCR instrument |
CT conversion reagent | Zymo Research | D5001-1 | Step 3.2.3. |
Deoxynucleotide triphosphate (dNTP) | Invitrogen | 10297-018 | Step 5.2. |
DEPC-treated water | Quality Biological | 351-068-131 | Step 2.1. |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Corning | 46-034-CL | Step 2.1. |
EZ DNA Methylation Kit | Zymo Research | D5002 | Step 3.2. |
Fluorescein | Bio-Rad | #1708780 | Step 5.2. |
GenomeStudio | omicX | OMICS_00854 | Step 4.3. Data analysis tool for an array platform as a β-value, with a range from 0 to 1 |
Human genomic DNA | New England Bio Labs | N4002S | Step 5.3. |
Infinium HD FFPE QC Kit | Illumina | WG-321-1001 | Step 4.1. FFPE QC assay on a real-time PCR amplification |
Infinium HumanMethylation450 assay | Illumina | WG-314 | Step 4.2. Array platform for complex evaluation of DNA methylation to assess the methylation status of >450,000 CpG sites in the genome |
LightCycler 480 | Roche | 5015278001 | Step 4.1. |
M-Binding Buffer | Zymo Research | D5002-3 | Step 3.2.6. |
M-Desulphonation Buffer | Zymo Research | D5002-5 | Step 3.2.9. |
M-Dilution Buffer | Zymo Research | D5002-2 | Step 3.2.1. |
Minfi package | Bioconductor | N/A | Step 4.4. |
M-Wash Buffer | Zymo Research | D5002-4 | Step 3.2.10. |
Platinum Taq polymerase | ThermoFisher Scientific | 10966-034 | Step 5.2. |
Proteinase K | New England Biolabs | P8107S | Step 2.8. |
Single-use polypropylene (Eppendorf) tube | Eppendorf | 24533495 | Step 2.5.2. |
Tris hydrochloride (Tris-HCL) 2 M pH 8.8 | Quality Biological | 351-092-101 | Step 2.1. |
Xylene | Sigma-Aldrich | 214736 | Step 1.3. |
Zymo Spin 1 Column | Zymo Research | C1003 | Step 3.2.6. |
β-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M3148 | Step 5.2. |
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