Optical DNA Mapping as a Tool for Detection of Chromosomal Variations in Acute Myeloid and Lymphoblastic Leukemia
(2021) MOBN03 20202Degree Projects in Molecular Biology
- Abstract
- Pediatric leukemias are one of the most common types of cancer diagnosed in children. Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common form of leukemia in children, and acute myeloid leukemia (AML) is the second most reoccurring type of leukemia in pediatric diagnosis. It has previously been found that structural variations are an important underlying mechanism leading to these diseases. Fluorescence in situ hybridization and next-generation sequencing are commonly used for genomic rearrangement detection of leukemia in diagnostic laboratories today. However, there is an unmet need for new methods for the detection of common translocations in patients with ALL and AML. Optical DNA mapping has been demonstrated in previous studies as a... (More)
- Pediatric leukemias are one of the most common types of cancer diagnosed in children. Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common form of leukemia in children, and acute myeloid leukemia (AML) is the second most reoccurring type of leukemia in pediatric diagnosis. It has previously been found that structural variations are an important underlying mechanism leading to these diseases. Fluorescence in situ hybridization and next-generation sequencing are commonly used for genomic rearrangement detection of leukemia in diagnostic laboratories today. However, there is an unmet need for new methods for the detection of common translocations in patients with ALL and AML. Optical DNA mapping has been demonstrated in previous studies as a useful tool for mapping high molecular weight DNA and at high resolution. In this study, optical DNA mapping, together with nanofluidics, fluorescence microscopy, and specific algorithms, was used for investigation of genomic variations. The utility of the tool was examined by using bacterial artificial chromosomes (BACs), consisting of genes commonly involved in rearrangements in ALL and AML. First, the circular BACs were isolated, followed by linearization with CRISPR/Cas9, and imaging in nanochannels. Processing of the DNA with an optimized protocol was successful, and the molecules were mapped to the human genome with high concordance. Secondly, the method was implemented on DNA with structural variations, created from the BACs. The same procedure was followed, and the method could present a promising detection of structural variations. Lastly, the algorithm was tested to investigate detection of breakpoints. The findings led to promising results for the use of optical DNA mapping in the detection of chromosomal translocations in clinical diagnostics. However, further studies of experimental translocations are needed in order to draw final conclusions. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Optisk DNA-kartläggning – en metod tillämpad cancerdiagnostik?
Akut lymfatisk leukemi (ALL) och akut myeloisk leukemi (AML) är sjukdomar som i hög grad är orsakade av så kallade strukturella variationer i gener. Dessa typer av leukemi är bland de vanligaste cancertyperna som drabbar barn. Det är därför av stort intresse att kunna detektera dessa förändringar för att kunna erbjuda en så bra behandling som möjligt för varje enskild patient.
Denna artikel kommer diskutera användningsområdet av optisk DNA-kartläggning inom diagnostik av strukturella variationer hos patienter med AML och ALL. Tillsammans med nanoflödesteknik, fluorescensmikroskopi, och dataanalys, analyseras optisk DNA-kartläggning som ett verktyg till att detektera... (More) - Optisk DNA-kartläggning – en metod tillämpad cancerdiagnostik?
Akut lymfatisk leukemi (ALL) och akut myeloisk leukemi (AML) är sjukdomar som i hög grad är orsakade av så kallade strukturella variationer i gener. Dessa typer av leukemi är bland de vanligaste cancertyperna som drabbar barn. Det är därför av stort intresse att kunna detektera dessa förändringar för att kunna erbjuda en så bra behandling som möjligt för varje enskild patient.
Denna artikel kommer diskutera användningsområdet av optisk DNA-kartläggning inom diagnostik av strukturella variationer hos patienter med AML och ALL. Tillsammans med nanoflödesteknik, fluorescensmikroskopi, och dataanalys, analyseras optisk DNA-kartläggning som ett verktyg till att detektera dessa förändringar på DNA-molekylen. Hos patienter med AML och ALL finns ett antal gener som i hög utsträckning är involverade i att driva dessa sjukdomar om en variation i dessa uppstår. Dessa mutationer skiljer sig hos patienterna och detektion av variationen är därför viktig för en individanpassad behandling.
Optisk DNA-kartläggning är en metod som möjliggör hög upplösning av enskilda långa DNA-molekyler. Flera hundratusen baspar långa molekyler kan fångas i en bild och analyseras. Genom att märka sekvensen fås ett ljusintensitetsmönster, liknandes en streckkod, och varje sekvens får sitt eget fingeravtryck. För varje gen involverad i att driva sjukdomen, kan därför ett genspecifikt fingeravtryck fås. Om en gen blir förändrad, får en strukturell variation, kommer fingeravtrycket därmed också förändras. Fingeravtrycket från ursprungliga genen kommer då inte att stämma överens med det nya fingeravtrycket. Med optisk DNA-kartläggning är förhoppningen att kunna utnyttja dessa och använda metoden för att detektera variationer hos barn med ALL och AML.
Det finns ett antal metoder som används på kliniker idag för detektion av strukturella variationer, och alla har sina för- och nackdelar. Dock, finns ett behov av en metod som har hög upplösning och är kostnadseffektiv. Optisk DNA kartläggning har i studier nyligen påvisats vara ett användbart verktyg för detektion av förändringarna i genomet med hög upplösning på enskilda DNA molekyler. Därför har denna studie undersökt användning av denna metod för detektering av variationer involverade i AML och ALL.
Resultaten av studien visade för det första att optisk DNA-kartläggning kan detektera DNA molekylers streckkoder och matcha dem med de teoretiska streckkoderna av det mänskliga genomet och dess korrekta placering på kromosomerna. För det andra, kunde metoden undersökas i att detektera förändringar på DNA molekylen. Resultatet visade en förändring i streckkoden som var synlig i analyserna. Slutsatsen av studien visar på att en användning av optisk DNA-kartläggning inom cancerdiagnostik skulle kunna vara en tillgång i framtiden.
Masterexamensprojekt i Molekylärbiologi 60 hp 2021
Biologiska institutionen, Lunds universitet
Handledare: Fredrik Westerlund och Gaurav Goyal
Biologi och bioteknik, Chalmers tekniska universitet (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9063635
- author
- Månsson, Alma
- supervisor
- organization
- course
- MOBN03 20202
- year
- 2021
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- language
- English
- id
- 9063635
- date added to LUP
- 2021-08-24 11:37:42
- date last changed
- 2021-08-24 11:37:42
@misc{9063635,
abstract = {{Pediatric leukemias are one of the most common types of cancer diagnosed in children. Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common form of leukemia in children, and acute myeloid leukemia (AML) is the second most reoccurring type of leukemia in pediatric diagnosis. It has previously been found that structural variations are an important underlying mechanism leading to these diseases. Fluorescence in situ hybridization and next-generation sequencing are commonly used for genomic rearrangement detection of leukemia in diagnostic laboratories today. However, there is an unmet need for new methods for the detection of common translocations in patients with ALL and AML. Optical DNA mapping has been demonstrated in previous studies as a useful tool for mapping high molecular weight DNA and at high resolution. In this study, optical DNA mapping, together with nanofluidics, fluorescence microscopy, and specific algorithms, was used for investigation of genomic variations. The utility of the tool was examined by using bacterial artificial chromosomes (BACs), consisting of genes commonly involved in rearrangements in ALL and AML. First, the circular BACs were isolated, followed by linearization with CRISPR/Cas9, and imaging in nanochannels. Processing of the DNA with an optimized protocol was successful, and the molecules were mapped to the human genome with high concordance. Secondly, the method was implemented on DNA with structural variations, created from the BACs. The same procedure was followed, and the method could present a promising detection of structural variations. Lastly, the algorithm was tested to investigate detection of breakpoints. The findings led to promising results for the use of optical DNA mapping in the detection of chromosomal translocations in clinical diagnostics. However, further studies of experimental translocations are needed in order to draw final conclusions.}},
author = {{Månsson, Alma}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Optical DNA Mapping as a Tool for Detection of Chromosomal Variations in Acute Myeloid and Lymphoblastic Leukemia}},
year = {{2021}},
}