Technische variantie in cDNA microarray technology

Een gemengd model voor de analyse van technische variatie in
DNA microarrays
Afstudeerproject van Willy Mackus aan het Genoomcentrum Maastricht
Technische Universiteit Eindhoven
Faculteit Wiskunde en Informatica, vakgroep statistiek
Augustus 2003
Voor mijn afstudeerproject ben ik betrokken geweest bij het DNA
onderzoek dat aan het Genoom Centrum Maastricht wordt
uitgevoerd met behulp van microarrays. Onze erfelijke
eigenschappen zijn vastgeleged in DNA. DNA is een
spiraalvormige draad die met een andere DNA-streng een dubbele
helix vormt. De verbindingen tussen de strengen worden gevormd
door basen-paren. Adenine bindt met thymine, en cytosine met
guanine (zie figuur 1). Wanneer de volgorde van de ene streng
bekend is, kun je dus afleiden wat de volgorde van de andere
streng zal zijn; de strengen zijn complementair. Deze eigenschap
vormt de basis van de microarray technologie.
Een gen is een stukje van het DNA dat de code bevat om een eiwit
te vormen. Genexpressie is de mate waarin een gen zich
manifesteert onder bepaalde omstandigheden (bijv. gezond of ziek
weefsel). Genetici zijn geïnteresseerd in verschillen tussen
genexpressie patronen onder verschillende omstandigheden. Met
behulp van microarrays kan genexpressie gekwantificeerd worden
Figuur 2: Gedeelte van een microarray
Figuur 1: Stukje DNA-molecuul
voor duizenden genen tegelijk. Dit werkt als volgt: op een
speciaal microscoopglaasje (de microarray) worden een groot
aantal genen aangebracht (gespot). Twee te onderzoeken
weefsels worden van verschillende kleuren voorzien (rood en
groen) en in gelijke hoeveelheden op de microarray
aangebracht. Het enkelstrengige weefsel krijgt de kans om te
binden met een complementaire DNA-streng op de array
(hybridisatie). Na hybridisatie wordt de array gescand. Het
resultaat is een gekleurd plaatje waarop verschillen in
expressie voor de genen in de weefsels zichtbaar zijn door de
verschillende kleurintensiteiten voor de spots.
Wanneer echter 2 keer hetzelfde gen gespot wordt op een array meet je zelden 2 keer dezelfde intensiteit!
Niet alleen het gen en het weefsel, maar ook verandering van biologische of experimentele aard zijn van
invloed op de gemeten intensiteit, zoals bijvoorbeeld: het gebruikte glas, de pen waarmee het gen gespot is
of de plaats van het spotje op de array. Om hiermee rekening te houden moeten we nagaan welke factoren
de resultaten beïnvloeden. Tijdens mijn afstudeerproject ben ik bezig geweest met het onderzoeken van de
technische factoren. Hiervoor is een experiment ontworpen, uitgevoerd en geanalyseerd. Het “Genoom
Centrum Maastricht” heeft dit experiment uitgevoerd.
Om te bekijken welke factoren echt van belang zijn maak je een wiskundig model en kijk je of dat past bij
je gegevens. In mijn model is de intensiteit van de spotjes beschreven als een lineaire functie van een aantal
factoren (intensiteit = a0 + a1factor 1 + a2factor 2 + .... anfactor n). In het model zijn zogenaamde vaste
factoren (bijvoorbeeld kleur, met een beperkt aantal niveaus: rood en groen) gemengd met zogenaamde
random factoren (bijvoorbeeld het glaasje, je kiest willekeurig een aantal glaasjes uit de (bijna) oneindige
voorraad glaasjes). Met met behulp van het computerprogramma SAS heb ik gekeken welke factoren van
belang zijn voor de microarray data; alle factoren in mijn model hadden een grote invloed op de intensiteit.
Er valt dus nog heel wat te verbeteren in het productieproces van microarrays.