Biologische Grundlagen

Fast sämtliche Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Jede dieser Zellen enthält einen Zellkern, in dem die Erbinformation steckt. Die Träger der Erbinformation sind die Chromosomen, das sind Makromoleküle aus Desoxyribonukleinsäure. Diese chemische Substanz, bekannt unter der englischen Abkürzung DNA, codiert die Erbinformation mit einem 4-Basen-Alphabet.

Jedes Chromosom enthält Hunderte bis Tausende von Genen. Unter einem Gen versteht man ein DNA-Fragment, welches die Bauanleitung für ein bestimmtes Protein enthält. Die Proteine regeln Struktur, Funktion, Energieproduktion und Teilung der Zellen.

Jede Zelle eines Organismus enthält näherungsweise denselben Chromosomensatz, dieselbe Erbinformation und damit dieselben Bauanleitungen für Proteine. Trotzdem gibt es aber riesige Unterschiede zwischen den Zellen, man bedenke nur, wie verschieden menschliche Augen-, Haar-, Muskel- oder Knochenzellen sind.

Funktion und Aussehen, d.h. der Phänotyp einer Zelle, werden durch die Menge, das Verhältnis und den Zustand der Proteine bestimmt, die in der Zelle produziert werden. Es stellt sich natürlich die Frage, wie solch enorme Unterschiede entstehen können, wenn doch jede Zelle dieselbe Erbinformation und damit dieselben Baupläne enthält.

Eine sehr wichtige, mittlerweile als Dogma der Molekularbiologie geltende Entdeckung war die Tatsache, dass sich der Weg von der Erbinformation zum Phänotyp einer Zelle in zwei Schritten vollzieht. Zuerst werden die DNA-Fragmente in unterschiedlicher Menge zu Boten-Ribonukleinsäure (engl. Abkürzung mRNA) transkribiert, was anschaulich dem Kopieren der entsprechenden Protein-Bauanleitung entspricht. Danach wird jede dieser Bauanleitungen in ``Zellfabriken'' zum entsprechenden Protein übersetzt.

Um den Zustand und die Funktion, den Krankheitsbefall oder eine bösartige Veränderung, also den Phänotyp einer Zelle zu bestimmen, müsste man die Menge, das Verhältnis und den Zustand der darin enthaltenen Proteine messen. Das ist zumindest auf dem heutigen Stand der Wissenschaft ein schwieriges Unterfangen. Mit Hilfe der Ende der 90er Jahre entwickelten Microarray-Technologie wurde es aber möglich, die Zusammensetzung und relative Menge der mRNA in einer Zelle zu ``messen''. Gemäss dem Dogma der Molekularbiologie kann man davon ausgehen, dass die Zusammensetzung und Menge der Proteine in einer Zelle eng mit der Komposition ihrer mRNA zusammenhängt. Somit erlauben die Microarrays Rückschlüsse auf den Phänotyp einer Zelle.

Herstellung von Microarrays

Ein Microarray ist eine Glasscheibe, ungefähr von der Grösse eines Daumennagels, die bis zu 25'000 mikroskopisch kleine, verschiedene Punkte enthält. In jedem einzelnen Punkt des Microarrays trägt man dann zahlreiche Kopien eines eindeutig bestimmten DNA-Abschnitts (Gens) von Interesse auf die Glasscheibe auf, die als ``Andockstellen'' für mRNA-Moleküle dienen werden.

Nun extrahiert man Millionen von mRNA-Molekülen aus einer Zelle von Interesse, markiert diese mit einer fluoreszierenden Lösung und trägt das Gemisch auf die Glasscheibe auf. Wegen der Eigenschaft der komplementären Basenpaarung dockt jedes mRNA-Molekül bevorzugt an einem ganz bestimmten Punkt des Microarrays an: Nämlich an jenem, wo sich das Gen befindet, dessen Bauplan es gerade übermittelt. Der Fachmann spricht bei diesem Andockvorgang von hybridisieren.

Mit einem Scanner wird dann die Intensität der fluoreszierenden Lösung und damit die Menge an hybridisierter mRNA für jeden Punkt des Microarrays gemessen. Die geeignet reskalierte Lichtintensität bezeichen wir in der Folge als Genexpression oder Genaktivität. Da exakt bestimmt ist, an welchem Punkt des Microarrays sich die Andockstellen von welchem Gen befinden, entspricht das Scanning anschaulich dem Auszählen der kopierten Bauanleitungen für jedes Protein.

Es gibt zwei verschiedene Haupttypen von Microarrays. Einerseits die Gene Chips der Firma Affymetrix, die kommerziell vertrieben werden und deren Herstellung patentiert ist. Andererseits die cDNA-Arrays, die an der Universität Stanford entwickelt wurden, eine frei zugängliche Technologie. Die obige Beschreibung trifft auf beide Methoden gleichzeitig zu. Die Unterschiede bestehen in der nicht näher erklärten Art wie die Genabschnitte auf die Glasscheibe aufgetragen werden und in der Reskalierung zur Bestimmung der Genexpressionswerte zu finden. Beide Technologien ergeben schliesslich ein Genexpressionsprofil, welches die Aktivität von bis zu 25'000 Genen gleichzeitig enthält.

Mathematische Herausforderungen

Da die mRNA-Moleküle bevorzugt, aber nicht ausschliesslich mit dem Gen hybridisieren, aus dem sie transkribiert wurden und weil zudem die Messung der Intensitäten nicht exakt ausgeführt werden kann, ist die Genexpression mit einem zufälligen Fehler behaftet. Für die Auswertung der Microarrays sind darum die Methoden der Statistik gefragt.

Wegen den enormen Kosten der Technologie, nur schon das Rohmaterial für ein Experiment kostet Hunderte von US-Dollars, werden meist nur sehr wenige, oft zwischen 10 und 50, solcher Genexpressionsprofile hergestellt. Da diese aber die Aktivität von Tausenden von Genen widergeben, befinden wir uns in der unüblichen Situation von kleiner Stichprobengrösse und sehr hoher Dimensionalität, wobei die erklärenden Variablen typischerweise auch noch hoch korreliert sind. Aus diesen Gründen ist die Anwendung klassischer Vorgehensweisen der Statistik für die Auswertung von Microarrays oft wenig sinnvoll, dafür wurde eine umfangreiche Suche nach neuen Methoden ausgelöst, die trotzdem genaue Analysen und tiefere Einblicke in die prädiktive Struktur der Microarrays erlauben.

Literatur

"The Chipping Forecast". Supplement to Nature Genetics 21, 1999.

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Marcel Dettling, 20.10.2003