Transcriptional Profiling of Organ‐Specific Autoimmunity in Human

Abstract

Our understanding of the pathogenesis of organ‐specific autoinflammation has been restricted by limited access to the target organs. Peripheral blood, however, as a preferred transportation route for immune cells, provides a window to assess the entire immune system throughout the body. Transcriptional profiling with RNA stabilizing blood collection tubes reflects in vivo expression profiles at the time the blood is drawn, allowing detection of the disease activity in different samples or within the same sample over time.

The main objective of this Ph.D. study was to apply gene‐expression microarrays in the characterization of peripheral blood transcriptional profiles in patients with autoimmune diseases. To achieve this goal a custom cDNA microarray targeted for gene‐expression profiling of human immune system was designed and produced. Sample collection and preparation was then optimized to allow gene‐expression profiling from whole‐blood samples. To overcome challenges resulting from minute amounts of sample material, RNA amplification was successfully applied to study pregnancy related immunosuppression in patients with multiple sclerosis (MS). Furthermore, similar sample preparation was applied to characterize longitudinal genome‐wide expression profiles in children with type 1 diabetes (T1D) associated autoantibodies and eventually clinical T1D.

Blood transcriptome analyses, using both the ImmunoChip cDNA microarray with targeted probe selection and genome‐wide Affymetrix U133 Plus 2.0 oligonucleotide array, enabled monitoring of autoimmune activity. Novel disease related genes and general autoimmune signatures were identified. Notably, down‐regulation of the HLA class Ib molecules in peripheral blood was associated with disease activity in both MS and T1D. Taken together, these studies demonstrate the potential of peripheral blood transcriptional profiling in biomedical research and diagnostics. Imbalances in peripheral blood transcriptional activity may reveal dynamic changes that are relevant for the disease but might be completely missed in conventional cross‐sectional studies.

<b>Geenien ilmentyminen ihmisen kudos‐spesifisissä autoimmuunisairauksissa</b>

Kohdekudosten hankala saatavuus on rajoittanut kudos‐spesifisten autoimmuunisairauksien tutkimusta. Immuunijärjestelmää voidaan kuitenkin tarkastella myös potilaan verestä, joka toimii immuunijärjestelmän solujen tärkeimpänä kuljetusreittinä. Käyttämällä erityisesti RNA‐molekyylien säilyttämiseksi tarkoitettuja näytteenottoputkia, voidaan tarkastella geenien ilmentymistä elimistössä näytteenottohetkellä ja siten seurata immuunijärjestelmän aktiivisuutta.

Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tarkastella DNA‐mikrosirujen avulla geenien ilmentymistä potilaiden veressä immuunijärjestelmän aktiivisuuden muuttuessa. Tätä tarkoitusta varten suunniteltiin ja valmistettiin keskeiset immuunijärjestelmän geenit sisältävä cDNA‐mikrosiru, jota käytettiin raskauden aikaansaaman immuunivasteen heikkenemisen tarkasteluun MS‐potilailla. Tutkimusta varten optimoitiin verinäytteiden keruu‐ ja RNA‐eristysmenetelmät, ja koska verinäytteiden RNA‐määrät olivat pieniä, eristetty RNA monistettiin ennen analysointia DNAmikrosiruilla. Samaa näytteenkäsittelymenetelmää käytettiin myös kerättäessä näytesarjoja lapsista, joilla oli jo havaittu tyypin 1 diabetekseen yhdistettyjä autovasta‐aineita. Näytesarjat lapsista, jotka myöhemmin sairastuivat tyypin 1 diabetekseen, analysoitiin kaupallisella koko genomin kattavalla sirulla.

Tutkimuksissa löydettiin aikaisemmin autoimmuunijärjestelmään yhdistettyjen geenien lisäksi uusia löydöksiä sekä itse suunniteltua ja valmistettua ImmunoChip cDNA‐mikrosirua että koko genomin kattavaa Affymetrix U133 Plus 2.0 oligonukleotidisirua käytettäessä. Erityisen merkillepantavaa oli luokan 1b HLA geenien hiljeneminen sekä MS‐taudin että tyypin 1 diabeteksen aktiivisuuden lisääntyessä. Väitöskirjatyön tutkimukset osoittivat, että immuunijärjestelmän aktiivisuutta voidaan seurata potilaiden verinäytteissä ilmenevien geenien kautta, ja veren soluissa ilmenevien geenien tarkastelua voidaan hyödyntää biolääketieteen tutkimuksessa ja diagnostiikassa. Lisäksi, geenien ilmentymisen seuraaminen saman potilaan peräkkäisissä näytteissä voi paljastaa toiminnallisia muutoksia, jotka perinteisessä poikkileikkaustutkimuksessa saattaisivat jäädä kokonaan huomioimatta