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status_changed: 2012-08-15 09:03:47
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Legradi, Jessica
title: Microarray based transcriptomics and the search for biomarker genes in zebrafish
title_de: Microarray basierte transkriptomik und die Suche nach biomarker Genen in Zebrafisch
ispublished: pub
subjects: ddc-570
divisions: i-140001
adv_faculty: af-14
keywords: microarray , zebrafish , biomarker , transcriptionfactor , whole genome
cterms_swd: Microarray
cterms_swd: Biomarker
cterms_swd: Zebrabärbling
abstract: In the past, zebrafish genes were mapped to human or mouse orthologs in order to perform Gene Ontology or pathway analyses. Therefore, genes without orthologs were removed and zebrafish-specific pathways were not taken into account. After the zebrafish genome has been sequenced almost completely, a growing number of biological databases for zebrafish have been made available. The increasing availability of gene function descriptions and specific pathways improves the applicability of zebrafish for transcriptomics studies. To make full use of the enhanced capabilities, however, new methods need to be developed.  In this thesis, I describe results of two different transcriptional studies. In the first one, I analyzed gene expression data of zebrafish embryos treated with 10 different compounds at 24-48 hpf. I employed multivariate statistical methods to identify compounds that lead to similar expression pattern changes. Furthermore, I tried to identify similarities by comparing co-regulated genes. A gene function analysis of the significantly differentially expressed genes was performed in order to gain a better understanding of the modes of action of the compounds. The findings were validated using literature data. In order to identify biomarker genes, I grouped the compounds based on the identified modes of action and searched for genes that were only de-regulated after treatment with compounds with the same mode of action. I defined sets of biomarker genes for the following modes of action: disruption of mitochondrial potential, Acetylcholinesterase inhibition, Glutathione metabolism, and induction of apoptosis. During the studies of the 10 compounds, it became obvious that commercially available zebrafish microarrays lack several important genes. To overcome this problem, I designed a new array that covers almost the whole zebrafish genome. I could show that the newly designed whole genome array clearly improves microarray experiments.  Additionally, we aimed at gaining deeper insights into the transcriptional regulation during zebrafish development. For this reason, I designed a new microarray consisting only of transcription factors. This array was employed to study six different developmental stages, covering the complete development from egg till larva. We were also interested in variations of transcription factor expression in certain tissues like muscle and brain. The microarray data was analyzed with a newly developed approach using two color arrays to detect expressed transcription factors. Using the new method, I could detect groups of transcription factors that exhibited a similar expression pattern over time. With the help of Gene Ontology, I was able to identify different gene function mechanisms associated with specific developmental stages. Transcription factors with highest expression before gastrulation were mostly involved in protein metabolism, and factors expressed at similar levels during the whole development period were likely to be involved in organ development. Transcription factors with expression peaking at the end of the development seemed to be mostly involved in development of the nervous system and biosynthesis. Additionally, I defined biomarker genes specific for the 6 developmental stages and the tissue samples used in this study.
abstract_translated_text: Um Analysen der Annotation mit Genfunktionen oder Stoffwechselwegen durchzuführen, wurden Zebrafischgene in der Vergangenheit mit Orthologen im Menschen oder der Maus ersetzt. Gene bei denen das nicht möglich war, gingen in diesem Prozess verloren. Außerdem, wurden Stoffwechselwege, die nur im Zebrafisch vorkommen, ebenfalls nicht berücksichtigt. Mittlerweile, ist das Zebrafischgenom fast vollständig sequenziert. Darüber hinaus, stehen auch auch immer mehr biologische Datenbanken auch für Zebrafisch zur Verfügung. Diese steigende Verfügbarkeit von Annotationen mit Genfunktion und speziellen Stoffwechselwegen verbessert die Anwendbarkeit von Zebrafisch für transkriptomische Untersuchungen. Um die neu gewonnen Möglichkeiten möglichst gut auszuschöpfen, müssen allerdings auch neue Analysemethoden entwickelt werden. In meiner Arbeit habe ich zwei verschiedene transcriptomische Analysen durchgeführt. In der ersten, wurden Zebrafischembryonen (24-48 hpf) mit einer von zehn Chemikalien behandelt und danach die Genexpressions analysiert. Mithilfe multivariater statistischer Verfahren, habe ich untersucht, welche Chemikalien ähnliche Expressionsmustern hervorrufen. Des Weiteren, habe ich versucht die Ähnlichkeiten zwischen Chemikalien mittels Genen zu definieren, deren Expression gleich reguliert wurde. Um toxikologische Mechanismen, die durch die verschiedenen Substanzen induziert wurden, zu identifizieren, wurde eine Funktionsanalyse der differientiel expremierten Gene durchgeführt und die Ergebnisse mit Literaturdaten verglichen. Danach, habe ich die Chemikalien aufgrund ihrer identifizierten toxischen Mechanismen gruppiert um so die Entwicklung neuer Biomarker zu ermöglichen. Auf Basis der Gene, deren Expression nur durch Substanzen mit dem gleichen toxischen Mechanismus dereguliert wurde, konnte ich Biomarker für verschiedene die Mechanismen definieren: Störung des Mitochondrialmembranpotentials, Acetylcholinesterase Hemmung, Glutathione Metabolismus und Induktion der Apoptose. Während dieser Analyse wurde deutlich, dass viele interessant Gene nicht mithilfe kommerziell erhältlicher Zebrafischmicroarrays gemessen werden können. Um dieses Problem zu lösen, habe ich ein neues Array entwickelt, welches fast das ganze Zebrafisch Genom abdeckt. Ich konnte zeigen, dass dieses Array die Ergebnisse von durchgeführten Experimente deutlich verbesserte. Des Weiteren wollte ich einen tieferen Einblick in die transkriptionelle Regulation während der verschiedenen Entwicklungsphasen des Zebrafisches bekommen. Deswegen habe ich auch ein Transktiptionsfaktorarray entworfen. Mit diesem Arrays wurden sechs verschiedene Entwicklungsstadien, vom Ei bis zur Larve, untersucht. Wir waren auch an den Unterschieden zwischen den Geweben Hirn und Muskel interessiert. Die Microarrays wurden mit einer neu entwickelten Methode analysiert, die 2-Farbarrays verwendet, um exprimierte Transktipionsfaktoren zu ermitteln. Dadurch konnte ich Gruppen von Transktiptionsfaktoren ermitteln, die ein ähnliches Expressionsmuster über die verschiedenen Entwicklungsphasen zeigten. Durch Gene Ontology-Analysen wurden Mechanismen deutlich, die spezifisch für einzelne Entwicklungsstadien sind. Transcriptionsfaktoren, die vor Beginn der Gastrulation am stärksten exprimiert waren, waren meistens im Proteinmetabolismus involviert. Transktiptionsfaktoren, deren Expression sich in den verschiedenen Entwicklungsphasen nicht stark änderte, waren meistens an der Organentwicklung beteiligt. Die Transktiptionsfaktoren, die eher am Ende der Entwicklungsphase exprimiert waren, wiesen meist eine Beteiligung an der Entwicklung des Nervensystems und der Biosynthese auf. Zusätzlich habe ich noch Biomarker speziell für die sechs verwendeten Entwicklungsstadien und die Gewebearten definiert.
abstract_translated_lang: ger
date: 2011
date_type: published
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00012904
ppn_swb: 1651237743
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-opus-129046
date_accepted: 2011-12-21
advisor: HASH(0x559e37d458f8)
language: eng
bibsort: LEGRADIJESMICROARRAY2011
full_text_status: public
citation:   Legradi, Jessica  (2011) Microarray based transcriptomics and the search for biomarker genes in zebrafish.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/12904/1/thesis_legradi.pdf