Geners aktivitet i enskilda celler

Projekt 2017

Elucidating the principles of allelic expression and regulation using single-cell genomics

Huvudsökande:
Rickard Sandberg, professor i molekylär genetik

Lärosäte:
Karolinska Institutet

Beviljat anslag:
18,4 miljoner kronor under fem år

– Vi utvecklar metoder som gör att vi kan titta på vilka arvsanlag och delar av arvsmassan som används av kroppens olika celler. Det ger oss en slags bakgrundsinformation om arvsmassans reglersystem som vi kan använda för att tolka genetisk variation och patologiska avvikelser bättre, berättar Rickard Sandberg, som tar emot i labbet på Biomedicum i Solna.

Till sin hjälp har hans forskargrupp såväl avancerade instrument för molekylärbiologiska studier som kraftfulla servrar för lagring och analys av stora mängder data. Forskningen de utför kräver tvärvetenskaplig kompetens.

– Ja, vi behöver personer som både förstår biologin och är tillräckligt duktiga på det matematiska området. Hälften av mina medarbetare arbetar framför datorn där de programmerar och utforskar all data vi får fram, och den andra hälften gör den molekylärbiologiska delen i labbet.

Cellerna som studeras i labbet kommer främst från speciellt framavlade möss som lämpar sig väl för dessa analyser, men även celler från människa studeras.

Mer kunskap om arvsmassans reglersystem, geners aktivitet och genetiska variationer kommer i förlängningen att bidra till ökad förståelse för hur detta påverkar de biologiska förloppen i cellerna. Det kan i sin tur komma till användning exempelvis för att bättre förstå olika sjukdomars utveckling.

Smart enkelcellsanalys

Med teknik som bryter upp cellers arvsmassa i små sekvenser går det till exempel att ta reda på vilka nukleotider som finns i en DNA- eller RNA-molekyl (se faktaruta) och i vilken ordning de sitter. Sekvenseringstekniken kan liknas vid ett slags molekylärt mikroskop.

Rickard Sandberg startade sin forskargrupp 2008. Vid den tiden behövde man undersöka tio- till hundratusentals celler tillsammans för att ta reda på vilka delar av arvsmassan som är aktiva i olika skeden, och man erhöll medelvärden för alla studerade celler. Det vill säga vilka gener som går på och av för att celler ska kunna utföra sina särskilda funktioner i kroppen. Numera, lite drygt ett decennium senare, går det att studera detta i enskilda celler.

– Nu har vi metoder där vi rutinmässigt kan ta en vävnad och bryta upp den i sina cellulära beståndsdelar och kartlägga sekvenserna i de aktiva fragmenten för en enskild cell.

Varje körning i labbets sekvenseringsmaskin ger i storleksordningen miljoner sekvenser per cell, berättar Rickard Sandberg, och de analyserar ofta hundra- eller tusentals celler i samma projekt.

– Mitt labb utvecklade en av de första metoderna som möjliggjorde analys av geners aktivitet i enskilda celler. Vår metod, kallad Smart-seq2, är fortfarande den metod som kan ge den mest detaljerade bilden av geners aktivitet i enskilda celler. Den är därför en av två metoder som nu används i det humana cellatlasprojektet, ett internationellt konsortium som kartlägger vilka celltyper som finns i människans kropp.

Genvarianters roll

Projektanslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ger forskargruppen möjlighet att använda sina metoder för enkelcellsanalys för att fördjupa sig ännu mer i vad som styr genernas aktivitet i våra celler.

Det finns flera varianter av en gen, så kallade alleler, både inom och mellan individer. Det beror till exempel på att vi har ärvt halva arvsanlaget från modern och halva från fadern, förklarar Rickard Sandberg.

– Genom att mäta RNA-mängden från alla gener i många enskilda celler kan vi lära oss mer om själva processen när gener aktiveras. Det är här viktigt att separera aktiviteten som pågår på moderns och faderns genkopia eftersom de är oberoende processer. Först med allelnivå- data på geners aktivitet i enskilda celler kan vi återskapa det dynamiska flödet när gener aktiveras. Det finns fortfarande många frågetecken om vad som exakt sker när en cell väljer att använda en specifik gen. Vi vill i detta projekt förstå vilka regleringsstegen är och hur det sker.

Frekvens och magnitud

Rickard Sandberg ritar ett diagram för att förklara ett av fynden.

– Ett sätt om en cell vill börja använda sig av en gen, är att den producerar RNA-molekyler i en jämn ström. Så ser det i alla fall ut om man tittar på många celler ihop. Men tittar vi på enskilda celler så ser det annorlunda ut. Oftast produceras ingenting, det är bara i korta perioder det genereras mycket RNA. Vi har lyckats kartlägga var i arvsmassan informationen finns som styr frekvensen och magnituden i de här ”utbrotten”.

En styrka med Rickard Sandbergs labb är att de kan göra det mesta i projektet själva, allt från arbetet med cellvävnader till molekylärbiologiska undersökningar, sekvensering och beräkningsbiologisk analys. Det blir väldigt effektivt och ger alla i gruppen en helhetsbild av forskningsprojektet, konstaterar han.

– Vi kan gå från idé till insamlade data på mycket kort tid. Och ska man utveckla nya metoder är det viktigt att ha korta cykler så att man får feedback på om det fungerar så fort som möjligt.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström