Studerar hur hjärnan blir till

Sten Linnarsson vill förstå hur människans hjärna bildas – från äggcellen till de tusentals olika celltyperna i en vuxen hjärna. Med metoder som visar vilka gener som är aktiva i enskilda celler ska han skapa en detaljerad karta över hjärnans utveckling under fostertiden.

Sten Linnarsson

Professor i molekylär systembiologi

Wallenberg Scholar 2019

Lärosäte:
Karolinska Institutet

Forskningsområde:
Molekylär neurobiologi

 

– Jag tycker att det är otroligt fascinerande att människans hjärna som är så komplex, bildas från en enda cell och bygger sig själv, säger Sten Linnarsson, professor i systembiologi vid Karolinska Institutet.

Utvecklingen av vår hjärna, liksom kroppens andra organ, börjar med en befruktad äggcell. Den delar sig till fler celler, som ändrar form och egenskaper för att så småningom bilda de tusentals olika celltyper som finns i en vuxen hjärna. Som Wallenberg Scholar ska Sten Linnarsson undersöka hur det går till.

– Vi vill ta reda på i vilken ordning och hur den här enorma mångfalden av celler bildas. Vi ska studera människohjärnans utveckling i fosterstadiet i mycket större detalj än man har gjort tidigare.

”Anslaget ger möjlighet att göra ambitiösa, riskabla projekt. Det ger mig frihet att följa forskningen dit den leder och följa nya, lovande uppslag som dyker upp. Konkret innebär det att vi kan bygga upp en plattform för att studera människohjärnans embryonalutveckling.”

Undersöker enskilda celler

För att göra det använder forskargruppen en metod för att mäta vilka gener som är påslagna, aktiverade, i enskilda celler.

Alla våra celler innehåller nämligen samma DNA, samma gener. För att bilda olika typer av celler aktiveras vissa gener i vissa celler, andra gener i andra. Det ger cellerna deras specifika funktioner. Genom att mäta genaktivitet i enskilda celler kan forskarna analysera celler mer detaljerat än tidigare och få en bild av de olika celltyperna i exempelvis ett organ.

Sten Linnarsson är en av pionjärerna inom området enkelcellsanalys. År 2011 visade han att det går att mäta genaktivitet i hundratals enskilda celler samtidigt i ett prov. Därefter har utvecklingen gått snabbt.

– Nu kan vi analysera upp mot en miljon celler i ett experiment och kostnaden per cell har sjunkit dramatiskt. Det gör det möjligt att studera mycket mer komplexa vävnader än vi kunde från början.

När en gen är aktiv bildas RNA, en arbetskopia av DNA. Sten Linnarsson har utvecklat en metod för att räkna RNA-molekyler i en cell, vilket gör enkelcellsanalyserna mer exakta.

Metodens hjärta

På en labbänk i forskningshuset Biomedicum står en svart, skokartongstor låda. Den ser oansenlig ut, men är maskinen som gör det möjligt.

– Den packar in celler från ett vävnadsprov en och en i vätskedroppar, där reaktionerna sker.

Varje droppe innehåller en cell, vissa reagens och en unik bit DNA. I droppen överförs cellens RNA till DNA och byggs ihop med den unika DNA-biten.

Därefter kan DNA från alla droppar sekvenseras samtidigt. Tack vare DNA-biten går det nämligen att sortera vilka RNA-sekvenser som kommer från samma cell - alltså veta vilka gener som är aktiva i cellen.

I projektet ska forskarna analysera miljontals embryonala celler från vecka fem till vecka 12 efter befruktningen; perioden när hjärnans grundläggande celltyper bildas. Resultatet blir ett utvecklingsträd som beskriver hur specialiserade nervceller uppstår och vilka gener som aktiveras i cellerna.

Forskarna kan också mäta hur genaktiviteten förändras i cellen, med en metod utvecklad av Sten Linnarsson och kollegor i USA. Den utnyttjar att när en gen aktiveras bildas först en oredigerad RNA-molekyl, som sedan bearbetas till moget RNA. Genom att jämföra mängden av dessa molekyler går det att se var cellen är på väg i sin förändringsprocess.

– Vi kan se både vilka gener som är aktiva nu och hur cellen såg ut för några timmar sedan. Många vägval som cellerna gör under embryonalutvecklingen pågår i den tidsskalan.

Målet är att skapa en matematisk modell som kan förutsäga vilka gener som driver cellen i en viss riktning. Den kan sedan användas för att förutsäga konsekvenserna av onormala förändringar, som om en viss gen är förstörd.

Odlar hjärnvävnad

Sten Linnarsson drar det svarta draperiet till mikroskopirummet åt sidan. På en dataskärm syns celler som prickar.

– Det är en bild av ett vävnadssnitt från embryonal hjärna. Vi har färgat in en delmängd av cellerna för att kunna urskilja dem.

Forskarna kan hålla små bitar av embryonal hjärnvävnad levande i labbet under några veckor. De odlas under ett mikroskop kopplat till en kamera. Genom att färga in specifika celltyper kan forskarna se hur cellerna mognar och rör sig, och testa den matematiska modellens förutsägelser.

– Nästa steg blir att slå ut en gen för att se om en cell som skulle ha blivit exempelvis en astrocyt i stället blir något annat. Men dit är det en bra bit kvar.

De färgar också in enskilda RNA-molekyler i frysta vävnadssnitt för att se var de aktiva generna sitter. Det kan ha stor betydelse för hur proteinerna som generna bildar påverkar cellerna omkring.

Värdesätter frihet

Att Sten Linnarsson blev forskare förklarar han med att han alltid har varit nyfiken på hur saker fungerar. På molekylärbiologiprogrammet väcktes hans intresse för hjärnan och han doktorerade inom neurobiologi vid Karolinska Institutet.

Därefter lämnade han universitetet för att starta ett företag baserat på en ny metod för DNA-sekvensering. Men planen var hela tiden att återvända.

– Här har jag frihet att söka mig i den vetenskapliga riktning jag tycker är intressant utan att någon bestämmer vad jag ska göra. Det är ett utmanande men väldigt bra jobb!

Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström

 

Mer om Sten Linnarssons forskning

Med mål att skapa en atlas över hjärnan

 

Kartlägger människan celler

Forskningen ingår i den internationella satsningen Human Developmental Cell Atlas som syftar till att kartlägga cellerna under människokroppens tidiga utveckling.

Human Developmental Cell Atlas är i sin tur ett projekt inom det internationella initiativet Human Cell Atlas som startades 2016 med målet att kartlägga alla celltyper i människokroppen. Sten Linnarsson ingår i initiativets styrgrupp.