マイクロアレイを用いた遺伝子発現バイオマーカーを用いた金属応答性転写因子（MTF-1）の新規活性化因子の同定

Identification of novel activators of the metal responsive transcription factor (MTF-1) using a gene expression biomarker in a microarray compendium.

• Abigail C Jackson
• Jie Liu
• Beena Vallanat
• Carlton Jones
• Mark D Nelms
• Grace Patlewicz
• J Christopher Corton

抄録

金属への環境曝露は、癌を含む多くの毒性を引き起こすことが知られている。金属応答性転写因子1（MTF-1）は、哺乳類細胞における金属調節システムの重要な構成要素である。本研究では、マイクロアレイを用いたプロファイリングデータに基づいて、MTF-1を活性化する化学物質を同定する新しい方法について述べる。本研究では、金属（亜鉛、ニッケル、鉛、ヒ素、水銀、銀）がヒト細胞の遺伝子発現に及ぼす影響を調べるために、10のマイクロアレイ比較を行い、一貫した頑健な発現を示すMTF-1バイオマーカー遺伝子を同定した。その結果、メタロチオネインファミリーメンバーや亜鉛トランスポーターを含むMTF1遺伝子のノックダウンにより、81個のバイオマーカー遺伝子のサブセットが変化することが示された。MTF-1を活性化する治療条件を正しく特定する能力は、ランクベースのランニングフィッシャーアルゴリズムを用いて、MTF-1の参照金属活性化剤に曝露された細胞からのバイオマーカーとマイクロアレイの比較によって決定された。予測のためのバランスのとれた精度は93％であった。次に、このバイオマーカーを用いて、2582種類の化学物質を表す11725種類のヒト遺伝子発現比較の大要から、MTF-1を活性化する有機化学物質を同定した。クリオキノールやジスルフィラムなどの細胞内金属と相互作用することが知られている化学物質や、新規化学物質を含む700種類の化学物質が同定された。検証のために選択された 9 種類の新規化学物質はすべて、MCF-7 細胞では MTF-1 のバイオマーカー遺伝子を活性化することが確認され、MTF-1 ヌル細胞ではそれ以下の範囲で活性化することが確認された。以上の結果から、MTF-1 のバイオマーカーとランニングフィッシャーテストを組み合わせることで、遺伝子発現プロファイリングを用いて金属の恒常性を調節する新規化学物質を同定することが可能であることが明らかになった。

Environmental exposure to metals is known to cause a number of human toxicities including cancer. Metal-responsive transcription factor 1 (MTF-1) is an important component of metal regulation systems in mammalian cells. Here, we describe a novel method to identify chemicals that activate MTF-1 based on microarray profiling data. MTF-1 biomarker genes were identified that exhibited consistent, robust expression across 10 microarray comparisons examining the effects of metals (zinc, nickel, lead, arsenic, mercury, and silver) on gene expression in human cells. A subset of the resulting 81 biomarker genes was shown to be altered by knockdown of the MTF1 gene including metallothionein family members and a zinc transporter. The ability to correctly identify treatment conditions that activate MTF-1 was determined by comparing the biomarker to microarray comparisons from cells exposed to reference metal activators of MTF-1 using the rank-based Running Fisher algorithm. The balanced accuracy for prediction was 93%. The biomarker was then used to identify organic chemicals that activate MTF-1 from a compendium of 11 725 human gene expression comparisons representing 2582 chemicals. There were 700 chemicals identified that included those known to interact with cellular metals, such as clioquinol and disulfiram, as well as a set of novel chemicals. All nine of the novel chemicals selected for validation were confirmed to activate MTF-1 biomarker genes in MCF-7 cells and to lesser extents in MTF1-null cells by qPCR and targeted RNA-Seq. Overall, our work demonstrates that the biomarker for MTF-1 coupled with the Running Fisher test is a reliable strategy to identify novel chemical modulators of metal homeostasis using gene expression profiling.