Publicerad: 2019-03-05 17:02 | Uppdaterad: 2019-06-17 14:04

Molekylärt pussel avslöjar okända steg i embryots utveckling

Forskare vid Karolinska Institutet har hittat tidigare okända steg i embryots utveckling från ett befruktat ägg till en levande varelse. Bakom resultatet ligger genanalys av enskilda celler från tidiga musembryon. Studien publiceras i den vetenskapliga tidskriften Cell Reports.

Världen över arbetar forskare med att hitta alla pusselbitarna som krävs för att ett befruktat ägg ska utvecklas till en frisk varelse. Målet är att i detalj kunna förstå hur det går till när de ursprungliga stamcellerna blir allt mer specialiserade. Den kunskapen är en förutsättning för att förstå allt från mekanismer bakom medfödda sjukdomar och fosterskador till att på sikt kunna behandla sjukdomar med hjälp av stamceller.

– Att kunna följa varje cells differentieringsprocess är den heliga gralen inom utvecklingsbiologin, säger Qiaolin Deng, forskare vid institutionen för fysiologi och farmakologi, Karolinska Institutet och vid Karolinska Universitetssjukhuset.

Hon är forskningsledare för den studie som avslöjat nya detaljer i den kritiska fasen mellan att ett embryo fäst i livmodern fram till dess att den första kroppsaxeln har bildats. Då har de embryonala cellerna börjat sin resa mot att skapa en kropp, med en framända och en bakända.

– Det är en kritisk period när hela kroppsplanen skapas. Om allt inte fungerar som det ska i händelseförloppet kan det leda till fosterdöd eller missbildningar.

Molekylär bruksanvisning

Men utvecklingen i cellerna som deltar i processen sker inte på samma sätt i alla celler. För att kartlägga vad som händer i enskilda celler tog forskarna hjälp av så kallad encells-sekvensering, (single-cell RNA sequencing). Totalt analyserades 1 724 celler från 28 musembryon i fyra tidiga utvecklingsstadier (5.25 till 6.5 dagar gamla). I snitt var 8 577 gener uttryckta i varje cell.

Med hjälp av datoranalys sorterades cellerna sedan upp i olika celltyper utifrån vilka gener som var aktiva eller inaktiva. På så sätt gick det att få fram i vilken ordning generna slås på. Resultatet blev en molekylär bruksanvisning, eller road-map, över de händelser som styr cellernas differentiering.

– Studien har avslöjat tidigare okända detaljer om vad som händer innan det tidiga embryot får sin första rumsliga orientering, och visat att cellerna längs kroppsaxeln har olika potential när det gäller att differentieras, säger Qiaolin Deng.

Samtidigt som kroppsaxeln börjar etableras pågår en annan process hos honembryon. De har celler som bär på två X-kromosomer, en från mamman och en från pappan. Tidigare studier på möss visade att X-kromosomen som ärvts från pappan först stängs av helt hos embryot. Allt för att honor inte ska ha dubbelt så hög aktivitet hos generna jämfört med hanar. Pappans X-kromosomkopia fortsätter att vara avstängd i de celler som bildar placentan och gulesäcken, men återaktiveras i embryots celler. Sedan sker en slumpvis inaktivering av mammans eller pappans X-kromosom. Honor utgörs därför av en ”mosaik” av celler där antingen mammans eller pappas X-kromosom är aktiv.

Ny upptäckt om X-kromosomer

Den nya studien visar att den första inaktiveringen av pappans X-kopia inte sker på det vis man tidigare trodde.

– Det som är molekylärt intressant är att de X-kromosomer som kommer från pappan och återaktiveras aldrig har varit helt avstängda. Den slumpvisa inaktiveringen sker också olika snabbt i embryots celler.

Resultatet av studien kastar nytt ljus över den tidiga utvecklingen av embryon, dels hos djur men också hos människor.

– Kunskap om de händelser och faktorer som styr utvecklingen hos det tidiga embryot är oumbärlig när det gäller att förstå missfall och medfödda sjukdomar. Runt tre av 100 spädbarn föds i dag med missbildningar som beror på fel under celldifferentieringen, säger Qiaolin Deng.

Studien utfördes i samarbete med forskare vid University of Chinese Academy of Sciences, Shanghai Tech University och Tongji University samt University of Sydney, Australien. Forskningsprojektet finansierades av anslag från Vetenskapsrådet, SSMF, Åke Wibergs stiftelse, KID-stiftelsen, Karolinska Institutet samt Jeanssons stiftelser.