Forskare visar hur DNA läses och regleras i kroppens alla celltyper
I det storskaliga internationella FANTOM5-projektet har forskare från hela världen skapat en atlas som visar vilka gener som används i stort sett alla de celltyper som människan består av. Fem forskargrupper vid tre olika institutioner vid Karolinska Institutet har deltagit i arbetet som nu presenteras med samordnade publikationer i flera vetenskapliga tidskrifter, däribland Nature och Blood.
Efter flera års arbete utfört av över 250 forskare på 114 laboratorier i fler än 20 länder publicerar FANTOM5-konsortiet en serie sammanhörande artiklar i tio olika tidskrifter, varav två kärnartiklar i Nature. FANTOM (functional annotation of the mammalian genome)-projektet initierades vid RIKEN i Japan 2000 med syfte att bygga en heltäckande genkatalog med så kallad cDNA-teknologi. Projektet har sedan dess utvecklats och nått fram till ett femte stadium och närmare svaret på frågan om vad som står skrivet i vår arvsmassa.
Vi människor är komplexa varelser bestående av minst 400 olika sorters celler. Trots att de alla har identiskt genom, och därmed samma gener, ser celltyperna olika ut och har olika funktioner. Det som skiljer alla dessa celltyper åt är vilka delar av arvsmassan de använder. Till exempel använder hjärnceller andra gener än leverceller och fungerar därför väldigt annorlunda.
– I FANTOM5 har vi för första gången undersökt på ett systematiskt sätt exakt vilka gener som används i i stort sett alla celltyper i människokroppen, och de regioner som bestämmer varifrån i genomet generna avläses, säger Alistair Forrest, som har lett konsortiet från RIKEN i Yokohama, Japan.
Möjligt att hitta enhancers
Sekvenseringstekniken som användes gjorde det också möjligt att hitta de DNA-regioner, så kallade ”enhancers”, som reglerar användningen av generna. Deras funktion är att reglera en gen så att den bara är aktiv i specifika celltyper. Fram till nu har det bara varit möjligt att kartlägga enhancerregioner i en handfull sorters celler. Tack vare den nya tekniken har forskarna i FANTOM5 kunnat kartlägga enhancerregionernas aktivitet i alla kroppens celler och vävnader, och sedan länkat dem till genernas aktivitet i samma celler. Forskargrupperna upptäckte att många av de mutationer som är kopplade till sjukdomar ligger inuti enhancerregionerna. Därmed kan man koppla ihop mutationerna med förändringar i hur gener regleras.
– Eftersom metoden kan användas på prover från patienter öppnas stora möjligheter att förstå vad som går fel på molekylär nivå i vävnad från sjuka människor, säger Albin Sandelin, som disputerat på Karolinska Institutet men nu är professor vid Köpenhamns universitet och ansvarig för enhancerstudien.
Ett exempel på en sådan analys har letts av Andreas Lennartsson och Karl Ekwall vid institutionen för biovetenskaper och näringslära på Karolinska Institutet. I studien, vars resultat publiceras i Blood, har forskarna studerat hur vår vanligaste immuncell, neutrofilen, bildas. Det visade sig att epigenetiska förändringar – det vill säga kemiska ändringar i DNA som inte påverkar själva DNA-sekvensen – oftare sker i enhancerregioner i neutrofiler, jämfört med i andra regioner.
– Med metoden att kartlägga enhancerregioner har vi upptäckt att det finns en koppling mellan epigenetisk reglering och enhancers som aktiveras under neutrofilens mognad, säger Michelle Rönnerblad vid institutionen för biovetenskaper och näringslära på Karolinska Institutet, som utfört studierna på blod från människor.
Ökad kunskap om leukemi
Forskarna menar att fynden kan öka vår kunskap om exempelvis akut leukemi, en cancerform i blodet.
– Akut leukemi uppstår när cellutvecklingen blockeras någonstans på vägen, vilket leder till att många omogna, ofunktionella celler bildas i blodet. Därför är det viktigt att förstå vad som reglerar blodbildningen för att hitta nya sätt att behandla leukemi, säger Andreas Lennartsson.
De forskare från Karolinska Institutet som är medlemmar i FANTOM5 är Karl Ekwall, Andreas Lennartsson, Juha Kere, Helena Persson och Carsten Daub vid institutionen för biovetenskaper och näringslära, Morana Vitezic och Lukasz Huminiecki vid institutionen för cell- och molekylärbiologi samt Peter Arner och Niklas Mejhert vid institutionen för medicin, Huddinge. FANTOM5 har möjliggjorts med hjälp av anslag från japanska ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknologi, men även EU och en lång rad andra forskningsfinansiärer har bidragit till arbetet.
Publikationer
- ”A promoter level mammalian expression atlas”, Alistar Forrest et al., Nature 27 March 2014, doi:10.1038/nature13182.
- “An atlas of active enhancers across human cell types and tissues”, Robin Andersson et al., Nature 27 March 2014, doi:10.1038/nature12787.
- “High-throughput transcription profiling identifies putative epigenetic regulators of hematopoiesis”, Punit Prasad et al., Blood 27 March 2014, doi:10.1182/blood-2013-02-483537.
- ”Analysis of the DNA methylome and transcriptome in granulopoiesis reveals timed changes and dynamic enhancer methylation”, Michelle Rönnerblad et al., Blood 27 March 2014, doi:10.1182/blood-2013-02-482893.
- “Ceruloplasmin is a novel adipokine which is overexpressed in adipose tissue of obese subjects and in obesity-associated cancer cells”, Erik Arner et al., PLOSONE 27 March 2014, doi:10.1371/journal.pone.0080274.
- Lista över samtliga 18 publikationer publiceras på FANTOM:s webbplats.