Forskare söker dold kod i arvsmassan

Inne i cellens kärna finns DNA-molekylen som utgör arvsmassan skrivet på livets språk. Men fortfarande gömmer detta språk hemligheter som vi inte kan tolka. I ett nytt projekt vill forskare i Uppsala och Stockholm komma åt vad de kallar för ”den dolda koden” i DNA – den genetiska kod som reglerar om, när, hur och var RNA ska produceras. För första gången kan det bli möjligt att avslöja hur de proteiner som ska avkoda DNA ser den kemiska koden.

Projektanslag 2016

Physical constraints for accessing genomic information

Huvudsökande:
Professor Johan Elf

Medsökande:
Uppsala universitet
Lynn Kamerlin
Sebastian Deindl

Stockholms universitet
Mats Nilsson

KTH
Helene Andersson Svahn

Lärosäte:
Uppsala universitet

Beviljat anslag:
37 850 000 kronor under fem år

I DNA finns de recept som krävs för att bilda den mångfald av proteiner och RNA-molekyler som är nödvändiga för cellens alla funktioner. Allt kretsar runt de fyra kvävebaserna adenin, guanin, cytosin och tymin och hur de kombineras på skiftande sätt i DNA:s långa dubbelsträngade molekyl.

Men ett språk med bara fyra bokstäver väcker också frågor. De snarlika sekvenserna gör det gåtfullt att förstå hur cellernas inre maskineri fungerar på detaljnivå, till exempel hur det är möjligt för reglerproteiner att bland miljontals alternativ snabbt hitta och fästa till rätt ställe på DNA-spiralen när en gen ska slås av eller på.

I ett nytt forskningsprojekt finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse samarbetar forskargrupper vid Uppsala universitet, KTH och Stockholms universitet i sökandet efter ”den dolda koden”, som proteiner som ska binda till DNA måste kunna läsa. Projektledare är Johan Elf, professor i fysikalisk biologi vid Uppsala universitet.

– Det finns information i DNA-koden som beskriver om, när och var en gen ska slås på, men det är information dold för oss i kemiska koder som vi ännu inte känner till.

Okända kemiska interaktioner lockar till rätt ställe

Processen har ibland liknats vid ett bibliotek där en supersnabb bibliotekarie i full trängsel och utan stöd av något datoriserat register lyckas leta rätt på en av miljontals böcker som står osorterade i många tusen likadana hyllor.

Enligt Johan Elf spelar de fysikaliska och kemiska egenskaperna i DNA en viktig roll.

– Den fantastiska regelbundenheten i hur DNA i proteinkodande regioner översätts till aminosyrasekvens har nästan fått oss att glömma att DNA-koden är implementerad i kemi och inte i bokstäver.

De regulatoriska proteinerna letar efter något i den kemiska strukturen för att snabbt kunna avgöra om de kommit till rätt plats när de söker igenom de enorma mängderna av genetisk kod.

– Vi vet att reglerproteiner ofta testar en bit av DNA i taget, låt säga några hundra baspar, och om de inte hittar något av intresse så väljer de ett annat slumpmässigt ställe. Men vi tror inte att de kan vara i sitt höginteragerande läge hela tiden, utan att de går in i ett skanningsläge där de kan missa saker, men vara snabba.

Studerar molekyler i levande celler

Nu finns nya tekniska förutsättningar för att studera händelseförloppet med bland annat avancerad ljusmikroskopi. Under de senaste åren har Johan Elf och hans grupp utvecklat verktyg och metoder för att studera enstaka molekyler i levande celler. I mycket avancerade och snabba optiska mikroskop kan man fånga upp ljuset från enskilda proteiner som kopplats till en fluorescerande molekyl för att på det sättet kunna följa molekylernas rörelser på nanometerskalan.

I det aktuella projektet knyts de avancerade mikroskopimätningarna ihop med genomik, berättar Johan Elf.

– Stödet från Wallenbergstiftelsen gör det möjligt att utveckla en ny experimentell metod för att göra lika känsliga mätningar på hela bibliotek av genetiskt olika celler som vi tidigare har gjort på enstaka celltyper. Det ger helt nya möjligheter att koppla samman genetisk variation och detaljerade dynamiska förlopp i levande celler.

Redigering av arvsmassan kan göras säkrare

En specifik del av projektet behandlar en molekyl som populärt kallas ”gensaxen”, CRISPR-Cas9. Den kan användas för att klippa och klistra i arvsmassan på ett målinriktat sätt och förväntas få stor betydelse för att behandla och förebygga genetiska sjukdomar.

Det unika med CRISPR-Cas9 är möjligheten att programmera molekylen med en bit konstgjord genetisk kod från RNA och sedan låta den leta upp motsvarande sekvens i DNA. Elf och hans kollegor har nu för första gången kunnat visa hur det går till i en studie som publicerades i tidskriften Science hösten 2017.

– Cas9 kan söka efter en förutbestämd DNA-sekvens, men för att avgöra om den är på rätt ställe måste molekylen först öppna DNA-spiralen och jämföra sekvensen med den förprogrammerade RNA-koden. Eftersom Cas9 inte använder sig av någon energi och inte vet mycket om var den ska öppna DNA:t tar det mycket lång tid att komma rätt. En ökad förståelse för hur den här sökprocessen går till öppnar för en mängd bioteknologiska och medicinska tillämpningar i framtiden.

Miljön runt SciLifeLab har inspirerat Johan Elf till det tvärvetenskapliga projektet och han gläds åt att bredden i frågeställningarna fört samman flera grupper med hög kompetens, från molekyldynamiksimulering till mikrofluidikutveckling. Projektet ligger i linje med ett centralt tema i Elfs forskning: att se cellbiologin som del av fysiken och att testa kvantitativa modeller för att nå en bättre förståelse av de biologiska processerna.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström