Nya insikter om hur gener aktiveras
I en studie i Nature presenterar forskare vid Karolinska Institutet en ny metod för att analysera hur instruktioner i arvsmassan styr hur våra gener aktiveras i enskilda celler. Resultaten ger nya insikter om hur arvsmassan kodar för sin egen användning, vilket ökar den grundläggande förståelsen för hur gener aktiveras i olika celltyper i kroppen både vid hälsa och sjukdom.
Nästan alla celler i kroppen har samma uppsättning av DNA och i princip samma möjlighet att bli vilken slags cell som helst. Det som skiljer cellerna åt är hur generna i vårt DNA används.
Allt DNA i cellen kallas för genom, arvsmassa, men det mänskliga genomet består till väldigt liten del av gener. Stora delar av genomet används istället för att reglera när och i vilka celler som närliggande gener är aktiva. Dessa regioner innefattar enhancers, så kallade förstärkare, och gensekvenserna precis intill gener, så kallade promotorer. Regionerna är ofta muterade vid sjukdom och en bättre förståelse av dessa regioners funktion ger mer klarhet i sjukdomsförlopp.
För att en gen ska kunna användas behöver den översättas från DNA till kopior av RNA. RNA liknar DNA, men skiljer sig lite i uppbyggnad, och kan användas som en mall för framställning av protein. Översättningen från DNA till RNA kallas för transkription.
Metod för att sekvensera RNA i enskilda celler
Det finns ännu många oklarheter kring hur transkriptionen sker och hur den regleras. Till exempel, om en gen används av en cell översätts nämligen inte genens DNA till RNA hela tiden, det skulle vara för energikrävande. Istället sker transkriptionen i skurar, då transkriptionsmaskineriet rekryteras och flera RNA-molekyler produceras under kort tid. Transkriptionen av varje gen kan karakteriseras utifrån kinetiken av denna process, alltså hur ofta skurarna sker och hur många molekyler som då produceras.
– Att mäta kinetiken och hur många RNA-molekyler som producerats från en gen i en enskild cell har tidigare varit svårt. De metoder som funnits har bara kunnat följa några gener åt gången. Dessutom har däggdjur två uppsättningar av nästan alla gener, så det har varit svårt att skilja RNA:t som kommer ifrån mammans version av genen från pappans, säger Rickard Sandberg, professor vid institutionen för cell- och molekylärbiologi på Karolinska Institutet, som lett den aktuella studien.
I studien använde sig forskarna istället av en egenutvecklad metod för att sekvensera RNA i enskilda celler. Metoden möjliggör mätningar av antalet RNA-molekyler för nästan alla gener som används i en cell.
Två olika mussorter
Forskarna sekvenserade bindvävsceller och embryonala stamceller från en blandras mellan två avlägset besläktade husmöss. Med hjälp av den naturliga variationen som finns mellan generna i de två olika mussorterna kunde forskarna skilja på det sekvenserade RNA:t från mammans respektive pappans version av genen och på så vis göra mer exakta mätningar av transkriptionen. De använde sedan en matematisk modell för att uppskatta, för de två genversionerna separat, hur ofta genen transkriberas och hur mycket RNA som då produceras.
– Vi upptäckte att förstärkare påverkade hur ofta en gen transkriberades i de två olika celltyperna, men inte hur många RNA-molekyler som producerades. Vi fann även att vissa DNA-sekvenser som finns i början av en gen kan påverka hur mycket RNA som produceras i en skur. På så vis har vi börjat kunna kartlägga hur genomet kodar för sin egen användning, säger Anton Larsson, försteförfattare i den aktuella studien och doktorand i Rickard Sandbergs forskargrupp.
– Vår metodik kommer kunna användas brett för att kartlägga hur olika proteiner påverkar transkriptionsprocessen på en mycket rikare nivå, säger Rickard Sandberg.
Forskningen finansierades med stöd av European Research Council, Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och the Vallee Foundation.
Publikation
“Genomic encoding of transcriptional burst kinetics”
Anton Larsson, Per Johnsson, Michael Hagemann-Jensen, Leonard Hartmanis, Omid R. Faridani, Björn Reinius, Åsa Segerstolpe, Chloe M. Rivera, Bing Ren och Rickard Sandberg.
Nature, online 2 januari 2018.