Gastrin-mediated regulation of gene expression; a systems biology approach

Abstract

Gastrin-regulert genuttrykk; en systembiologisk tilnærming

I tillegg til å være det viktigste hormonet som kontrollerer utskillelsen av magesyre (saltsyre, HCl), er gastrin også involvert i vekstregulering av mageslimhinnen. Når vi spiser får vi en midlertidig økning av gastrin i blodet, og økt utskillelse av magesyre. Etter hvert som syrenivået i magesekken øker, produserer normalt kroppen mindre gastrin slik at gastrin-nivået reduseres igjen. Langvarig høyt nivå av gastrin i blodet (hypergastrinemi) knyttes til utvikling av kreft i mage-tarm-systemet.

Gastrin binder seg til gastrin-reseptoren på celleoverflaten og aktiverer signaliseringsmekanismer inne i cellen som resulterer i en endring i genuttrykket. For å forstå de biologiske effektene av gastrin, er det viktig å kartlegge signaloverføringsmekanismene som aktiveres av at gastrin binder seg til reseptoren, hvilke gener som påvirkes av dette, og effekten av genuttrykksendringen i ulike biologiske prosesser både i normale celler og i kreftceller.

Arbeidet som presenteres i denne avhandlingen er en del av et større prosjekt som bruker en systembiologisk tilnærming for å studere molekylære mekanismer i magetarm- systemet med fokus på gastrin sin effekt i regulering av genuttrykk. Istedenfor bare å se på enkeltgener eller proteiner, undersøker man i systembiologien store mengder data for å komme frem til kunnskap om komplekse biologiske systemer. En slik tilnærming involverer samarbeid mellom biologer, matematikere og bioinformatikere; og både storskala eksperimenter og datasimuleringer/modeller er vanlige metoder. Vi har brukt DNA mikromatriser som gir oss mulighet til å måle genuttrykket (mengde mRNA) til rundt 20 000 proteinkodende gener. Vi har kjørt tre store mikromatrise-forsøk hvor vi har sett på endring av genuttrykk etter gastrinstimulering i en modell-cellelinje over en tidsperiode på 14 timer, og har identifisert ca. 2000 gener som er regulert av gastrin. I arbeidet som presenteres har vi fokusert på forskjeller i genuttrykk og celleresponser i celler som er stimulert med gastrin i en kort periode (1-2 timer) og celler som er stimulert med gastrin i en lengre periode (14 timer). Vi har identifisert 403 gener som reguleres forskjellig ved de to ulike stimuleringene. Mange av genene som var høyere uttrykt ved langvarig enn ved kortvarig stimulering er involvert i cellulære overlevelsesresponser. Vi viser at langvarig stimulering beskytter mot celledød (antiapoptotisk effekt), og våre resultater indikerer at ett av de nye gastrinregulerte genene, clusterin, koder for et protein som spiller en sentral rolle i denne effekten. Clusterin er et protein som skilles ut av cellen og er vist å være involvert i overlevelsesprosesser, noe som kan gjøre kreftcellene mer motstandsdyktige mot behandling. Langvarig gastrinstimulering gir økt nivå av clusterin i cellen, samt økt utskillelse av clusterin-proteinet i cellekultur. Vi har også vist at rotter med langvarig høyt nivå av gastrin (som et resultat av hemming av magesyreutskillelsen i 1 og 4 uker) har høyere nivå av clusterin i mageslimhinnen og i blod sammenlignet med kontrollrotter med normalt gastrin-nivå. Totalt indikerer våre resultater at langvarig høyt nivå av gastrin kan bidra til å gjøre cellene mer overlevelsesdyktige, noe som kan være viktig i den vekst-fremmende effekten til gastrin i mageslimhinnen.

For videre å karakterisere rollen til flere av de identifiserte gastrinregulerte genene, må den funksjonelle rollen til genproduktene i ulike biologiske prosesser undersøkes. Ved å introdusere DNA eller siRNA inn i cellen (transfeksjon) kan man målrettet øke eller redusere uttrykket av spesifikke gener, og se hvilken betydning denne endringen har for cellene. Siden vi identifiserte flere tusen gener som påvirkes av gastrin, var det nødvendig med storskalametoder også for slike funksjonelle studier. Vi har derfor etablert transfekterte cellearray i vårt laboratorium. I denne metoden transfekteres cellene i små ansamlinger (spotter) slik at funksjonen til flere hundre genprodukter kan studeres samtidig. Vi har utviklet eksperimentell design og statistisk dataanalyse som åpner for å studere cellulære responser på transfekterte cellearray. I kombinasjon med vårt store genuttrykksdatasett vil denne metoden kunne bidra til økt innsikt i gastrinbiologien og identifisering av nye potensielle kandidater for målrettet kreftbehandling.