DE10224963A1

DE10224963A1 - Neuer Interphase-in-situ-Hybridisierung-Test, der zur pränatalen Schnelldiagnostik geeignet ist

Info

Publication number: DE10224963A1
Application number: DE2002124963
Authority: DE
Inventors: Uwe Prof Dr Institut Claussen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Beschrieben wird ein Diagnoseverfahren zur Darstellung von chromosomenspezifischen Signalen oder Chromosomenabberationen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass einzelne Chromosomen im Interphasekern durch in situ-Hybridisierung mit mindestens zwei, vorzugsweise mit unterschiedlichen Fluorochromen markierten lokusspezifischen Nukleinsäuresonden pro Chromosom charakterisiert werden, die jeweils an die langen und kurzen Arme der Chromosomen X, Y und 18 bzw. die langen Arme der Chromosomen 12 und 21 hybridisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Darstellung von chromosomenregionspezifischen Signalen oder Chromosomenabberationen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass einzelne Chromosomen im Interphasekern durch in situ- Hybridisierung mit mindestens zwei, vorzugsweise mit unterschiedlichen Fluorochromen markierten lokusspezifischen Nukleinsäuresonden pro Chromosom charakterisiert werden, die jeweils an die langen und kurzen Arme der Chromosomen X, Y und 18 bzw. die langen Arme der Chromosomen 13 und 21 hybridisieren.
Jedes 200. Kind wird mit einer Chromosomenveränderung geboren. Die häufigsten chromosomalen Anomalien sind die Trisomie 21 (Down Syndrom), Trisomie 13 (Pätau Syndrom), Trisomie 18 (Edwards Syndrom) und die zahlenmäßigen Veränderungen der Geschlechtschromosomen (z. B. Turner Syndrom). Um diese und andere Chromosomenanomalien auszuschließen bzw. frühzeitig erkennen zu können, wird eine Chromosomenanalyse aus einer Fruchtwasserzellkultur durchgeführt, wobei die Fluoreszenz-in-situ- Hybridisierung (FISH) es erlaubt, bereits 12 bis 48 Stunden nach der Amniozentese zumindest einen Teilbefund über numerische Aberrationen der Chromosomen 13/18/21/X/Y zu erstellen.
Der Interphase-FISH-Test ist eine inzwischen in den meisten Chromosomenlabors etablierte Methode, welche die diagnostischen Möglichkeiten der konventionellen Zytogenetik beträchtlich erweitert hat. Seit einigen Jahren wird sie auch bei spezifischen diagnostischen Fragestellungen an Interphasezellen eingesetzt. Der Verzicht auf eine konventionelle Chromosomenpräparation und/oder Zellkultur spart dabei Zeit und Kosten. Beispiele sind die Translokationsdiagnostik in der Tumorzytogenetik oder die bereits vorstehend erwähnte pränatale Aneuploidiediagnostik. Eine begrenzte Zahl numerischer Chromosomenanomalien kann heute mit relativ hoher Zuverlässigkeit an Interphasezellen (z. B. unkultivierten Amnion- bzw. Chorionzellen) mit Hilfe der FISH innerhalb kürzester Zeit ausgeschlossen werden. Diese Methode bedeutet eindeutig eine deutliche Verbesserung der diagnostischen Möglichkeiten.
Bei der FISH-Technik werden chromosomenspezifiscche, fluoreszenzmarkierte DNA-Sonden benutzt, die sich auch in Interphasezellen an spezifische Chromosomenregionen binden. Die Auszählung der je nach Sonde und verwendetem Fluorochrom verschiedenfarbigen Signale erlaubt es, die Kopienzahl der untersuchten Chromosomen im Präparat unter dem Fluoreszenzmikroskop zu bestimmen. Zur Zeit werden in der Routineanwendung Sonden für die Chromosomen 13, 18, 21, X und Y verwendet. Andere Chromosomen können in begrenzter Zahl untersucht werden. Die Hybridisierung erfolgt an unkultivierten Zellen, so dass ein Ergebnis in kurzer Zeit vorliegen kann. Bei der Auswertung werden die Signale für jedes der untersuchten Chromosomen an mindestens 50 Zellen ausgewertet. Zwei Fluoreszenzsignale findet man bei normaler Kopienzahl des entsprechenden Chromosoms im Zellkern. Drei Signale einer Sonde in einem hohen Prozentsatz aller untersuchten Zellen sprechen mit hoher Wahrscheinlichkeit für eine Trisomie des betreffenden Chromosoms. Vorteil der Methode bei adäquatem Untersuchungsmaterial ist eine rasche Diagnostik ausgewählter numerischer Chromosomenanomalien.
Bisher wurde in der Diagnostik pro Chromosom nur eine Nukleinsäuresonde verwendet, die z. B. bezüglich der Chromosomen X, Y und 18 Zentromer-spezifisch war, also mit einem Bereich hybridisiert, der keine Gene enthält. Bei Verwendung nur einer Sonde pro Chromosom sind allerdings keine Aussagen über partielle Deletionen in einem der großen Chromosomenarme möglich. Außerdem können in den Zentromersequenzen Polymorphismen auftreten, welche zu falsch-positiven bzw. -negativen Resultaten führen können. Somit ist die Zuverlässigkeit des FISH-Tests, wie er bisher durchgeführt wurde, nicht in ausreichendem Maß gewährleistet.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, einen auf in-situ-Hybridisierung basierenden Test zur Verfügung zu stellen, der die vorstehend geschilderten Nachteile nicht aufweist, d. h., zu diagnostisch zuverlässigen Aussagen führt.
Die Lösung dieses technischen Problems wird durch die Bereitstellung der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen erzielt. Es zeigte sich, dass die bisherigen Nachteile des FISH-Tests dadurch beseitigt werden können, dass zur Charakterisierung von Chromosomen bzw. Chromosomenaberrationen pro Chromosom mindestens zwei lokusspezifische Nukleinsäuresonden verwendet werden, die jeweils an den kurzen und den langen Arm der Chromosomen X, Y und 18 hybridisieren. Da die Chromosomen 13 und 21 keine "genhaltigen" kurzen Arme aufweisen, sind hier die beiden Sonden so gestaltet, dass sie an den langen Chromosomenarm hybridisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1

(A) Ergebnisse eines FISH-Schnelltests an nicht-kultivierten Amniocyten

Der FISH-Test an nicht-kultivierten Amniocyten im Fall 1 zeigte nach Anwendung der Aneuvision-Sonden LSI 13 und LSI21 (Vysis), ein normales Muster für die Sonde, die für Chromosom 21 spezifisch war (rot). 15 von 102 bzw. 87 von 102 analysierten Zellkernen zeigten zwei bzw. drei spezifische grüne Signale für die Sonde LSI 13. In 71 von 102 Interphase-Zellkernen waren zwei der drei Signale co-lokalisiert (2+1) und in 16 Zellkernen tauchten sie als drei klar getrennte Signale (3) auf. Die GTG- Bandierung ergab, dass in diesem Fall eine Duplikation des Bereichs 13q14-q21 (Pfeilkopf) der Grund für die drei für Chromosom 13 spezifischen Signale war und nicht etwa eine freie Trisomie 12.

(B) Mit einer X-Zentromer-spezifischen Sonde erhaltene Ergebnisse

Die für das X-Zentromer spezifische Sonde (cep X; Vysis) ergab im Fall 2 an nicht-kultivierten Amniocyten die folgenden Ergebnisse: Keine Signale in 2 von 76 untersuchten Interphase- Zellkernen, ein Signal in 56 von 76, zwei Signale in 12 von 76, drei Signale in 5 von 76 und vier Signale in 1 von 76. Der Verdacht, dass diese Ergebnisse von einem Heteromorphismus herrührten, konnte durch die Analyse kultivierter Amniocyten bestätigt werden. Dabei ergaben sich ungewöhnlich starke Kreuzhybridisierungen an den Chromosomen 1, 12 und 17.

(C) Erfindungsgemäßer Sondensatz

Beispiel für einen auf jeweils mindestens zwei Sonden beruhenden Sondensatzes, bei dem für die Chromosomen X, Y, 13, 18 und 21 für einen pränatalen FISH-Schnelltest jeweils mindestens zwei lokusspezifische Einzelkopie-Sonden verwendet werden. Die verwendeten Sonden sind als schwarze Balken auf der rechten Seite jedes Chromosoms dargestellt. Dieser (oder ein ähnlicher) Probensatz, bei dem vorzugsweise 5 unterschiedliche Fluorochrome gleichzeitig verwendet werden, vermeidet alle bisher aufgetauchten Probleme hinsichtlich diagnostischer Zuverlässigkeit.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Diagnoseverfahren zur Darstellung von chromosomenspezifischen Signalen oder Chromosomenabberationen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Chromosomen im Interphasekern durch in situ-Hybridisierung mindestens mit folgenden lokusspezifischen markierten Nukleinsäuresonden charakterisiert werden:

a) für die Chromosomen X, Y und 18 je eine oder mehr lokusspezifische Nukleinsäuresonde für den langen und kurzen Chromosomenarm; und/oder
b) für die Chromosomen 13 und 21 jeweils zwei oder mehr lokusspezifische Nukleinsäuresonden für den langen Chromosomenarm.

Der Fachmann kennt geeignete Verfahren zur Durchführung einer in situ-Hybridisierung an Interphasekernen und diese sind z. B. beschrieben in den folgenden Literaturstellen: Raff, R. and Schwanitz G., (2001) Int. J. Hum. Genet., 1, 65-75. Review; Liehr, T. et al, Prenat Diagn 21: 419-421; Weremowicz, S. et al., Prenat Diagn 21: 262-269; Tepperberg, J. et al., Prenat Diagn 21: 293-301; Lier, T. et al., Int J Mol Med 3: 11-14. Der Fachmann kennt auch geeignete Verfahren zur Markierung von Nukleinsäuresonden. Zu diesen Markierungen zählen Markierungen, die den Nachweis einer stattgefundenen Hybridisierung über ein radioaktives, fluoreszenzabhängiges, magnetisches, spektroskopisches, massenspektrometisches, biosensorisches, photometrisches Verfahren oder konfokale Lasermikroskopie erlauben.
Der hier verwendete Ausdruck "lokusspezifische Nukleinsäuresonde" bezieht sich auf Nukleinsäuresonden, die mit einem Bereich eines Chromosoms hybridisieren, der einem Gen, vorzugsweise einem in Einzelkopie vorliegenden Gen entsprechen kann.
Der Fachmann kennt auch geeignete Chromosomen-Bereiche, die zur Entwicklung von Sonden geeignet sind, die die vorstehenden Bedingungen erfüllen; siehe dazu auch Verlinsky und Kuliev (2000), An Atlas of Preimplantation Genetic Diagnosis: An illustrated teaxtbook and reference for clinicians (The Encyclopedia of Visual Medicine Series), Parthenon Pub Group); Fung et al., Hum. Genet. 107 (2000), 615-622. Zur Gewährleistung einer eindeutigen Hybridisierung weisen die Nukleinsäuresonden vorzugsweise eine Länge von mindestens etwa 10 Kilobasen, mehr bevorzugt mindestens etwa 20 Kilobasen und am meisten bevorzugt etwa 20-30 Kilobasen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diagnsoseverfahrens werden Nukleinsäuresonden verwendet, die mit folgenden Chromosomen-Bereichen hybridisieren:

a) für das Chromosom X mit dem Bereich Xp11.2-Xpter und/oder Xq12-Xqter hybridisieren; und/oder
b) für das Chromosom Y mit dem Bereich Yp11.2-Ypter und/oder Yq11.2-Yq11.23; und/oder
c) für das Chromosom 13 mit dem Bereich 13p12-13q21 und/oder 13q21-13qter; und/oder
d) für das Chromosom 18 mit dem Bereich 18p11.2-18pter und/oder 18q11.2-18qter; und/oder
e) für das Chromosom 21 mit dem Bereich 21q11.2-21q21 und/oder 21q21-21qter.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf einer Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), das dem Fachmann bekannt ist. Der Fachmann kennt auch geeignete Fluorochrome (z. B. Aminomethylkumarinessigsäure (blau), Tetramethyl-rhodaminisothiocyanat (rot), Fluoresceinisothiocyanat (grün), Cyanin 5 (gelborange) und Cyanin 5.5 (nahe infrarot), sowie Verfahren zur Fluorochrom- Markierung der Nukleinsäuresonden und diese sind auch z. B. in Nederlof et al., Cytometry 10 (1989), 20-27, Henegariu et al., Nat Biotechnol 18 (2000), 345-348, Nimmakayalu et al., Biotechniques 28 (2000), 518-522, Tanke et al., Cytometry 33 (1998), 453-459 beschrieben. Schließlich sind Fluorochrommarkierte Nukleinsäuresonden auch kommerziell erhältlich und dazu zählen z. B. die Sonden des "MultiVision"-Kit von Vysis (Vysis Inc., 3100 Woodcreek Drive, Downers Grove IL 60515-5400, U.S.A.).
Am meisten bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens, bei dem die FISH als Mehrfarben- FISH (mFISH) durchgeführt wird, wobei vorzugsweise mindestens 3, mehr bevorzugt mindestens fünf unterschiedliche Fluorochrome bzw. Liganden zur spezifischen DNA-Markierung verwendet werden (Speicher und Eils, BIOspektrum 2 (1998), 84-86; Speicher, ECA Newsletter 7 (2001), 3-7).
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Kit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, der mindestens 10 erfindungsgemäße Nukleinsäuresonden enthält. Der Kit kann weiterhin geeignete Reagenzien zum Nachweis von Markierungen oder zur Markierung positiver und negativer Kontrollen, Waschlösungen, Verdünnungspuffer etc. enthalten.
Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren eignet sich für eine Reihe von zytogenetischen Untersuchen, z. B. für die Translokationsdiagnostik in der Tumorzytogenetik, die pränatale Schnelldiagnostik, für die Translokations- und Aneuploidie- Diagnostik in der Tumorzytogenetik (sowohl an archivierten und frischen Schnittpäperaten als auch an Suspensionspräperaten), die pränatale Schnelldiagnostik sowie jegliche Art von Interphase-Analysen, wobei dessen Verwendung für die pränatale Schnelldiagnostik bevorzugt ist. Der Fachmann kennt die Indikationen für einen pränatalen Schnelltest (z. B. erhöhtes Alter der Schwangeren, d. h. 38 Jahre oder älter, vorangegangene Schwangerschaft mit einer numerischen Chromosomenanomalie, bei einem Triple-Test ermitteltes erhöhtes Risiko für Trisomie 18 oder 21, bei einer Amniozentese erst nach der 18. Schwangerschaftwoche, bei einem auffälligen Ultraschallbefund mit Hinweis auf Chromosomenanomalie, etc.) und ist mit der Durchführung eines pränatalen Schnelltests bzw. der Probengewinnung (ausreichende Fruchtwassermenge, Verwerfung eines kleines Teils des Fruchtwassers zur Vermeidung von Kontamination mit mütterlichen Zellen, Vermeidung blutiger Proben etc.) vertraut.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Ergebnisse einer üblichen pränatalen Routine-FISH-Schnelldiagnose

(A) Fall 1

Es wurde eine pränatale Diagnose an einer 23 Jahre alten Frau durchgeführt, bei der der Verdacht auf Turner-Syndrom aufgrund einer Hyposomie und des Karyotyps 45,X[2]/46,XX[78] bestand, der 15 Jahre zuvor diagnostiziert worden war. Die Amniozentese wurde 16 Wochen + 1 Tag nach Gestation durchgeführt. Die in Fig. 1 (A + B) dargestellten Aufnahmen wurden mit einem Zeiss- Axioplan-Mikroskop (Zeiss Jena, Jena, Deutschland) mittels des digitalen "IKAROS"- und "ISIS" FISH-Aufnahmesystems (MetaSystems, Altlussheim, Deutschland) unter Verwendung einer XC77 CCD-Kamera von Sony mit Ein-Chip-Integration erstellt.
Die Interphase-FISH in kultivierten Amnionzellen ergab drei Signale für die Sonde LSI13 (lokalisiert in 13q14) (LSI13 ist kommerziell erhältlich bei Vysis, vorst.) in 86 von 102 Zellkernen (84%), was ein Indiz für Trisomie 13 ist (Fig. 1A). Die GTG-Bandierung an den kultivierten Zellen aus der Amnionflüssigkeit ergab zwar keinen Hinweis auf vollständige Trisomie 13, erbrachte aber für Chromosom 13 den Nachweis für eine Duplikation des Bereichs 13q14-q21 (Fig. 1A). Bei der erneuten Analyse des Objektträgers mit den nicht-kultivierten Amnionzellen konnte in 83% der Zellkerne mit drei Signalen eine Co-Lokalisation von zweien der drei für Chromosom 13 spezifischen Signale nachgewiesen werden. Dies ist in Übereinstimmung mit einer Rate von etwa 80% für Co-Lokalisation der LSI21-Sonde (lokalisiert in 21q 22.13-q22.2) bei einer Translokations-Trisomie 21, während bei einer freien Trisomie 21 die Rate einer zufälligen Co-Lokalisation mit etwa 40% bestimmt werden konnte. Da die gleiche Duplikation auch bei der Mutter der Patientin nachgewiesen werden konnte, die, bis auf die Hyposomie, klinisch unauffällig war, wurde die Schwangerschaft nicht abgebrochen.

(B) Fall 2

Einer 35 Jahre alten Frau wurde aufgrund ihres Alters in der 15. Schwangerschaftswoche (+ 2 Tage) eine Amniozentese angeraten. Die pränatale Schnelldiagnose der Interphasen-Nuklei ergab für jede analysierte Zelle (n = 76) für die Chromosomen 13, 18 und 21 jeweils zwei Signale und ein für das Y-Chromosom spezifisches Signal. Die für das X-Zentromer spezifische Sonde CEPX (lokalisiert in Xp11.1-q11.1) ergab jedoch folgendes verdächtiges Ergebnis: Kein Signal in 3%, 1 Signal in 74%, 2 Signale in 7% und 4 Signale in 1% der Zellen (Fig. 1B). Da aufgrund zusätzlicher schwacher grüner Signale in allen analysierten Zellen von einem Heteromorphismus ausgegangen wurde, wurde der Frau das Ergebnis für das X-Chromosom nicht mitgeteilt. Wie erwartet konnten bei der GTG-Bandierung keine Zellen mit mehr als einem X-Chromosom nachgewiesen werden. Zur Klärung des Ursprungs der zusätzlichen grünen Signale in den Interphasen-Nuklei wurde die gleiche für das X-Chromosom spezifische Sonde mit Metaphasen-Chromosomen der kultivierten Amniocyten hybridisiert. In jedem Metaphase-Nukleus und in vielen Interphase-Nuklei konnten an den Chromosomen 12 und 17 Signale beobachtet werden, die stärker als üblich waren, und ungewöhnlicherweise Signale an einem Chromosom 1 (Fig. 1B).

(C) Schlußfolgerung

Beide Fälle zeigen, dass die mit den bisherigen Sonden durchgeführte pränatale Interphasen-FISH-Schnelldiagnose nicht zuverlässig ist.

Beispiel 2

Mit dem erfindungsgemäßen FISH-Test erhaltene Ergebnisse

Aufgrund der in Beispiel 1 beschriebenen und weiteren in der Literatur beschriebenen falsch-positiven oder falsch-negativen FISH-Befunde wurde geschlossen, dass bei einer pränatalen FISH- Schnelldiagnose die Verwendung von jeweils nur einer Sonde für die fünf fraglichen Chromosomen nicht ausreichend ist, sondern mit einem anderen Sondensatz, so wie er beispielsweise in Fig. 1C dargestellt ist, gearbeitet werden sollte. Somit wurden bei der Verwendung zweier lokusspezifischer Einzelkopie-Sonden pro Chromosom, z. B. die in Fig. 1C gezeigten Sonden, sämtliche Probleme vermieden, die sonst bei der Verwendung alphoider Sonden (Heteromorphismusn) oder lediglich einer lokusspezifischen Sonde pro Chromosom auftraten.

Claims

1. Diagnoseverfahren zur Darstellung von chromosomenspezifischen Signalen oder Chromosomenabberationen, dadurch gekennzeichnet, dass Chromosomen im Interphasekern durch in situ- Hybridisierung mindestens mit folgenden lokusspezifischen markierten Nukleinsäuresonden charakterisiert werden:

a) für die Chromosomen X, Y und 18 je eine lokusspezifische Nukleinsäuresonde für den langen und kurzen Chromosomenarmt und/oder

b) für die Chromosomen 13 und 21 jeweils zwei lokusspezifische Nukleinsäuresonden für den langen Chromosomenarm.

2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, wobei für das Chromosom X Nukleinsäuresonden verwendet werden, die mit dem Bereich Xp11.2-Xpter und/oder Xq12-Xqter hybridisieren.

3. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für das Chromosom Y Nukleinsäuresonden verwendet werden, die mit dem Bereich Yp11.2-Ypter und/oder Yq11.2-Yq11.23 hybridisieren.

4. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für das Chromosom 13 Nukleinsäuresonden verwendet werden, die mit dem Bereich 13p12-13q21 und/oder 13q21-13qter hybridisieren.

5. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für das Chromosom 18 Nukleinsäuresonden verwendet werden, die mit dem Bereich 18p11.2-18pter und/oder 18q11.2-18qter hybridisieren.

6. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für das Chromosom 21 Nukleinsäuresonden verwendet werden, die mit dem Bereich 21q11.2-21q21 und/oder 21q21-21qter hybridisieren.

7. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das auf Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) basiert.

9. Diagnoseverfahren nach Anspruch 7, wobei die FISH eine Mehrfarben-FISH (mFISH) ist.

9. Diagnostischer Kit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der mindestens 10 Nukleinsäuresonden gemäß der Definition in den vorhergehenden Ansprüchen enthält.

10. Verwendung der in den Ansprüchen 1 bis 8 definierten Nukleinsäuresonden oder des Kits nach Anspruch 9 für einen pränatalen Schnelltest.