title: Expressionsprofilen der Lungenkarzinomzellen nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen und Röntgen
title: Gene expression profiling of lung cancer cells irradiated by carbon ion and X-rays
Creators: name: You, An
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Bestrahlung mit Kohlenstoffionen
Expressionsprofilen
Lung cancer
Lungenkarzinomzellen
Medizin, Gesundheit
Gene expression profiling
Carbon ion irradiation

description: Background Lung cancer is the
      leading cause of cancer-related death in men and the third in
      women in Germany. Radiation therapy plays an important role
      in the multimodal treatment of lung cancer. Due to the
      excellent dose distribution and the higher relative
      biological effectiveness (RBE) in tumor, heavy ion therapy
      with carbon shows promising clinical results in different
      types of cancer. However, the genetic differences of
      radiation induced reactions in cancer between heavy ion beams
      and conventional photon beams are not fully understood. In
      the present study, we compared the gene expression profiles
      of A549 cells after heavy ion radiation or X-ray radiation
      using a DNA microarray chip containing 11,800 human genes and
      identified differentially expressed genes. A set of selected
      differentially expressed genes was validated with
      quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR).
      Materials/Methods The lung carcinoma cell line A549 was
      irradiated with carbon ion beams (9,8 MeV/nucleon) and X-ray
      (250 kV) using different doses. The biologically equivalent
      doses for each radiation quality were determined by
      clonogenic survival assay. The transcriptional profiling was
      determined with a high density cDNA microarray containing
      11.800 genes, and genetic network and gene ontology analysis
      was performed. The expression changes of selected genes were
      validated by qRT-PCR. Results Microarray analysis revealed a
      significant alteration in the expression of 49 genes (at
      least 2-fold) after carbon ion irradiation and not altered by
      X-rays, as compared with unirradiated control cells. Of these
      49 differentially expressed genes identified, 29 and 20 genes
      were up- and down-regulated, respectively. Moreover, the
      results of microarray analysis showed that the expression
      levels of 326 genes were altered significantly by carbon ion
      irradiation with biological equivalent dose to X-rays. Among
      these genes identified, 169 and 157 genes were more up-and
      down-regulated in carbon ion irradiation, as compared to
      X-rays. The genetic network and functional classification of
      the 49 differentially expressed genes between carbon ions
      irradiation and control unirradiated cells revealed four
      merged networks which were associated with the regulation of
      cell cycle, cancer and cell death signaling and cell
      signaling. The functional analysis of the up-regulated genes
      between carbon ion and X-ray determined three important
      functional networks involved in cellular growth and
      proliferation, cell cycle regulation, and oxidation
      reduction. Among the down-regulated genes, the functional
      analysis identified three important molecular functional
      networks associated with cellular function and maintenance of
      cancer, regulation of cell cycle in the DNA repair, and post
      translation modification. A set of 8 selected differentially
      expressed genes involved in cell cycle, DNA damage and
      transcription was analysed by qRT-PCR and confirmed the
      microarray data. Conclusions These results showed that these
      two types of radiations, although in the same biological
      relative doses, could induce significant gene expression in
      different levels in A549 cells. The functional classification
      of these differentially expressed genes revealed that carbon
      ions and X-ray irradiations have different effects on
      different signaling pathways through gene expression. The
      identification of differentially expressed gene in this study
      might add to the understanding of the complicated molecular
      responses to carbon ion irradiation and provided valuable
      resource for both experimental and clinical application of
      heavy ion beam for treatment of lung cancer.
description: Das Lungenkarzinom ist die
      häufigste tödliche Krebserkrankung des Mannes und die
      dritthäufigste tödliche Krebserkrankung der Frau in
      Deutschland. Die Strahlentherapie spielt eine wichtige Rolle
      in der multimodalen Behandlung vom Lungenkarzinom. Aufgrund
      der hervorragenden Dosisverteilung und der höheren relativen
      biologischen Wirksamkeit (RBW) im Tumor zeigt die
      Schwerionentherapie mit Kohlenstoff vielversprechende
      klinische Ergebnisse bei unterschiedlichen Karzinomen. Die
      genetischen Unterschiede der Strahlenreaktionen im
      Krebsgewebe nach intensiver Ionenbestrahlung und
      konventioneller Photonenbestrahlung sind aber bis heute nicht
      vollständig geklärt. In der vorliegenden Arbeit wurden
      deshalb die Expressionsprofilen humaner A549
      Lungenkarzinomzellen nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen
      und Röntgenstrahlen mittels eines cDNA Microarrays mit 11.800
      menschlichen Genen verglichen und differentiell exprimierten
      Gene identifiziert. Mit quantitativer Real-Time PCR (qRT-PCR)
      wurden die Veränderungen der ausgewählten differentiell
      exprimierten Kandidatengene analysiert. Die A549
      Lungenkarzinomzellen wurden mit Kohlenstoffionen (9,8
      MeV/nucleon) und Röntgen (250 kV) bestrahlt. Die biologischen
      Äquivalentdosen der Kohlenstoffionen und Röntgenstrahlen
      wurden mit dem klonogenen Überleben-Assay bestimmt. Im
      Vergleich zur unbestrahlten Kontrolle zeigte die
      Mikroarray-Analyse signifikante Veränderungen der Expression
      von 49 Genen (mindestens 2-fach) nach Bestrahlung mit
      Kohlenstoff. Davon waren 29 Gene und 20 Gene hoch- und
      runterreguliert. Anhand der Analyse der Expressionsprofile
      konnten 326 differentiell exprimierten Gene zwischen
      Bestrahlung mit Kohlenstoffionen und Röntgenstahlen mit den
      biologischen Äquivalentdosen identifiziert werden. Im
      Vergleich zur Röntgenstrahlung waren 169 bzw. 157 Gene nach
      Bestrahlung mit Kohlenstoffionen signifikanter hoch- und
      runterreguliert. Die genetische Netzwerk und funktionelle
      Klassifizierungen der 49 differentiell exprimierten Gene
      zwischen Kohlenstoffionenstrahlung und unbestrahlter
      Kontrolle zeigten vier fusionierten Netzwerke, welche in der
      Regulation des Zellzykluses, des Zelltods, und des
      Zellsignalwegs beteiligt sind. Weitere funktionelle Analyse
      der hochregulierten Gene zwischen Kohlenstoffionen und
      Röntgenstahlen zeigte drei wichtige funktionelle Netzwerke,
      welche an der Regulation der zellulären Proliferation, des
      Zellzykluses und der Oxidation beteiligt sind. Die Analyse
      der runterregulierten Gene zeigte drei wichtige molekulare
      funktionelle Netzwerke in der Regulation der zellulären
      Funktion and der Erhaltung des Karzinoms, des Zellzykluses
      mit der DNA-Reparatur und der posttranskriptionellen
      Modifizierung. Zur Bestätigung der Mikroarraydaten wurde die
      Expression der 8 ausgewählten differentiell exprimierten
      Kandidatengene, welche an der Regulation des Zellzykluses,
      der DNA-Schädigung und der Transkription beteiligt sind,
      durch qRT-PCR analysiert. Die Ergebnisse der vorliegenden
      Arbeit deuteten darauf hin, dass beide Strahlenqualitäten mit
      biologischen Äquivalentdosen signifikante unterschiedliche
      Genexpressionen induzieren und dadurch die unterschiedlichen
      Wirkungen auf der Regulation der Signaltransduktionswege
      beeinflussen konnten. Die differentiell expremierten Gene
      sind an der Regulation der Zellzyklen, DNA-Reparatur und der
      Oxidierung beteiligt. Die Identifizierung der differentiell
      exprimierten Gene in der vorliegenden Arbeit kann zum
      Verständnis der komplizierten molekularen Reaktionen auf
      Bestrahlung mit Kohlenstoffionen hinzufügen und wertvolle
      Ressource sowohl für experimentelle als auch für klinische
      Anwendung der Schwerionentherapie von Lungenkarzinom zur
      Verfügung stehen.