Using a gene expression biomarker to identify DNA damage-inducing agents in microarray profiles

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dc.contributor.author

Corton, Christopher J.

Williams, Andrew

Yauk, Carole L.

dc.date.accessioned

2024-04-11T20:36:44Z

dc.date.available

2024-04-11T20:36:44Z

dc.date.issued

2018-10-17

dc.description - en

Health Canada is responsible for assessing and managing chemicals that may pose a potential health risk to the Canadian population. Chemicals that are genotoxic damage DNA and long-term exposure can cause adverse effects such as cancer and inherited genetic diseases. Thus, genotoxicity testing is a critical component of chemical assessment. Health Canada previously collaborated with members of the Health and Environmental Sciences Institute (HESI) to develop a test method in human cells in culture that measures changes in gene expression as an indicator of a chemical’s potential to cause DNA damage. The resulting ‘gene expression biomarker’ that was produced in this study has now been extensively validated and applied in a variety of case studies. In the current study Health Canada collaborated with the US Environmental Protection Agency to develop an alternative computational analysis approach to readily screen databases of gene expression changes using the biomarker to assess the potential for chemicals to cause DNA damage. Applying a statistical test called the Running Fisher test, the team found that the approach was between 87-97% accurate in identifying positive agents, and worked across a variety of technologies and human cell culture models. The data show that this approach has the potential to add significant value to the existing genotoxicity testing system as it can be rapidly applied to large data sets. It also demonstrates that the biomarker is robust with respect to different analytical approaches. Health Canada is now using this method to assess the potential genotoxicity of chemicals with little conventional data on the Chemicals Management Plan and in other case studies, to determine the best way to use the method to increase the efficiency and accuracy of genotoxicity assessment.

dc.description.abstract - en

High-throughput transcriptomic technologies are increasingly being used to screen environmental chemicals in vitro to provide mechanistic context for regulatory testing. The TGx-DDI biomarker is a 64-gene expression profile generated from testing 28 model chemicals or treatments (13 that cause DNA damage and 15 that do not) in human TK6 cells. While the biomarker is very accurate at predicting DNA damage inducing (DDI) potential using the nearest shrunken centroid method, the broad utility of the biomarker using other computational methods is not fully known. Here, we determined the accuracy of the biomarker used with the Running Fisher test, a nonparametric correlation test. In TK6 cells, the methods could readily differentiate DDI and non-DDI compounds with balanced accuracies of 87–97%, depending on the threshold for determining DDI positives. The methods identified DDI agents in the metabolically competent hepatocyte cell line HepaRG (accuracy = 90%) but not in HepG2 cells or hepatocytes derived from embryonic stem cells (60 and 80%, respectively). DDI was also accurately classified when the gene expression changes were derived using the nCounter technology (accuracy = 89%). In addition, we found: (1) not all genes contributed equally to the correlations; (2) the minimal overlap in genes between the biomarker and the individual comparisons required for significant positive correlation was 10 genes, but usually was much higher; and (3) different sets of genes in the biomarker can by themselves contribute to the significant correlations. Overall, these results demonstrate the utility of the biomarker to accurately classify DDI agents.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Les technologies transcriptomiques à haut débit sont de plus en plus utilisées pour cribler les produits chimiques environnementaux in vitro afin de fournir un contexte mécaniste pour les tests réglementaires. Le biomarqueur TGx-DDI est un profil d'expression de 64 gènes généré à partir du test de 28 produits chimiques ou traitements modèles (13 qui causent des dommages à l'ADN et 15 qui n'en causent pas) dans des cellules TK6 humaines. Bien que le biomarqueur soit très précis pour prédire le potentiel d'induction de dommages à l'ADN (DDI) en utilisant la méthode du centroïde rétréci le plus proche, l'utilité générale du biomarqueur utilisant d'autres méthodes informatiques n'est pas entièrement connue. Ici, nous avons déterminé l'exactitude du biomarqueur utilisé avec le test Running Fisher, un test de corrélation non paramétrique. Dans les cellules TK6, les méthodes pourraient facilement différencier les composés DDI et non-DDI avec des précisions équilibrées de 87 à 97 %, en fonction du seuil de détermination des positifs DDI. Les méthodes ont identifié des agents DDI dans la lignée cellulaire hépatocytaire métaboliquement compétente HepaRG (précision = 90 %), mais pas dans les cellules HepG2 ou les hépatocytes dérivés de cellules souches embryonnaires (60 et 80 %, respectivement). Le DDI a également été classé avec précision lorsque les modifications de l'expression génique ont été dérivées à l'aide de la technologie nCounter (précision = 89 %). De plus, nous avons constaté : (1) tous les gènes ne contribuaient pas de manière égale aux corrélations ; (2) le chevauchement minimal des gènes entre le biomarqueur et les comparaisons individuelles requis pour une corrélation positive significative était de 10 gènes, mais était généralement beaucoup plus élevé ; et (3) différents ensembles de gènes dans le biomarqueur peuvent à eux seuls contribuer aux corrélations significatives. Dans l’ensemble, ces résultats démontrent l’utilité du biomarqueur pour classer avec précision les agents DDI.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation et de la gestion des produits chimiques qui peuvent présenter un risque potentiel pour la santé de la population canadienne. Les produits chimiques génotoxiques endommagent l’ADN et une exposition à long terme peut provoquer des effets néfastes tels que le cancer et des maladies génétiques héréditaires. Ainsi, les tests de génotoxicité constituent un élément essentiel de l’évaluation chimique. Santé Canada a déjà collaboré avec des membres de l’Institut des sciences de la santé et de l’environnement (HESI) pour développer une méthode d’essai sur des cellules humaines en culture qui mesure les changements dans l’expression des gènes comme indicateur du potentiel d’un produit chimique à causer des dommages à l’ADN. Le « biomarqueur d’expression génique » produit dans cette étude a maintenant été largement validé et appliqué dans diverses études de cas. Dans la présente étude, Santé Canada a collaboré avec l'Environmental Protection Agency des États-Unis pour développer une autre approche d'analyse informatique permettant d'examiner facilement les bases de données des changements d'expression génétique à l'aide du biomarqueur afin d'évaluer le potentiel des produits chimiques à causer des dommages à l'ADN. En appliquant un test statistique appelé test Running Fisher, l’équipe a constaté que l’approche était précise entre 87 et 97 % pour identifier les agents positifs et fonctionnait avec une variété de technologies et de modèles de culture de cellules humaines. Les données montrent que cette approche a le potentiel d’ajouter une valeur significative au système d’essais de génotoxicité existant, car elle peut être rapidement appliquée à de grands ensembles de données. Cela démontre également que le biomarqueur est robuste par rapport aux différentes approches analytiques. Santé Canada utilise maintenant cette méthode pour évaluer la génotoxicité potentielle des produits chimiques avec peu de données conventionnelles sur le Plan de gestion des produits chimiques et dans d'autres études de cas, afin de déterminer la meilleure façon d'utiliser la méthode pour accroître l'efficacité et l'exactitude de l'évaluation de la génotoxicité.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1002/em.22243

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2305

dc.language.iso

en

dc.publisher

Wiley

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.title - en

Using a gene expression biomarker to identify DNA damage-inducing agents in microarray profiles

dc.type - en

Article

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