Teknik möjliggör storskalig kartläggning av epigenetisk information i enskilda celler
Histoner är små proteiner som binder till DNA och innehåller information som kan hjälpa till att slå av eller på enskilda gener. Forskare vid Karolinska Institutet har utvecklat en teknik som gör det möjligt att undersöka hur olika typer av histoner binder till genomet i tiotusentals enskilda celler samtidigt. Tekniken har applicerats i mushjärna och kan användas för att studera epigenetik i enskilda celler i andra komplexa organ. Studien har publicerats i tidskriften Nature Biotechnology.
– Denna teknik kommer att vara ett viktigt verktyg för att studera vad som skiljer celler från varandra på epigenetisk nivå. Vi förväntar oss att den kommer att användas i stor utsträckning av biomedicinare inom en rad olika forskningsområden, säger Marek Bartosovic, postdoktor vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik på Karolinska Institutet.
Även om alla våra celler innehåller exakt samma genetiska information lagrat i DNA så läser och agerar de på informationen på olika sätt. En nervcell i hjärnan läser DNA:t annorlunda än exempelvis en hud- eller fettcell. Epigenetik spelar en avgörande roll i tolkningen av den genetiska informationen och för hur cellerna uttrycks.
Påverkar genuttrycket
Histonförändringar är en typ av epigenetik som påverkar genuttrycket. Histoner dekorerar DNA som pärlor på ett snöre och fungerar som epigenetiska markörer som visar vilka gener som ska slås på eller av. Tillsammans samverkar detta system för att säkerställa att tusentals gener slås på eller av vid rätt tid och plats och i rätt cell.
För att bättre förstå hur celler blir specialiserade är det viktigt att veta vilka histoner sitter på vilka delar av DNA i varje enskilt organ och i varje enskild cell inom det organet. Tills nyligen var det inte möjligt att studera histonförändringar i enskilda celler. För att undersöka histonförändringar i en specifik celltyp behövdes ett väldigt stort antal celler och mödosamma metoder för cellisolering. Den slutgiltiga epigenetiska histonprofilen för en celltyp representerade då ett genomsnitt av tusentals celler.
I den här studien beskriver forskarna en metod för att studera histonförändringar i enskilda celler i extrem detalj och i stor skala. Genom att kombinera och optimera existerande epigenomiska tekniker kunde forskarna identifiera genetiska regulatoriska principer för hjärnceller i möss baserat på deras histonprofiler.
Single-cell CUT&Tag
– Vår metod—single-cell CUT&Tag—gör det möjligt att undersöka tiotusentals enskilda celler samtidigt, vilket ger en opartisk bild av epigenetisk information i komplexa organ med enastående upplösning. I nästa steg vill vi använda single-cell CUT&Tag för att studera den mänskliga hjärnan, både i utvecklingsfasen och vid olika sjukdomar. Till exempel skulle vi vilja undersöka vilka epigenetiska mekanismer bidrar till nedbrytningen av nervsystemet vid multipel skleros, och om vi skulle kunna manipulera dessa processer för att lindra sjukdomsförloppet, säger Gonçalo Castelo-Branco, forskare vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik på Karolinska Institutet.
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet, Vinnovas Seal of Excellence Marie-Sklodowska Curie Actions anslag, EU:s ramprogram Horizon 2020 för forskning och innovation, Hjärnfonden, Cancerfonden, Svenska Sällskapet för Medicinsk Forskning, the Ming Wai Lau Centre for Reparative Medicine och Karolinska Institutet.
Publikation
“Single-cell CUT&Tag profiles histone modifications and transcription factors in complex tissues” Marek Bartosovic*, Mukund Kabbe, Gonçalo Castelo-Branco*, Nature Biotechnology, online 12 april, 2021, doi: 10.1038/s41587-021-00869-9