Ny kunskap om celldelning med datadrivna tekniker

Kan vi på ett bättre sätt destillera biologisk kunskap om cellen ur stora datamängder? Frågan är en drivkraft i Johan Henrikssons forskning.

BildMattias Pettersson

Syftet blir att upptäcka nya oväntade biologiska mönster

– Vi fick inte de resultat vi förväntade oss! Men studien gav oss som tur var en bättre förståelse av arvsmassan och hur det kan mätas vid sekvensering med hjälp av transposoner, en slags genetiskt modifierad rörlig gensekvens. Transposonerna beter sig olika under celldelning och detta kan bland annat användas för att följa celldelningsprocessen, säger Johan Henriksson, docent vid Institutionen för molekylärbiologi vid Umeå universitet.

Varje organ i kroppen är byggt av ett stort antal olika celler, som var och en utför olika funktioner. Därför är det viktigt att kunna studera cellerna individuellt. Redan i biologivetenskapens tidiga skede var detta möjligt med hjälp av mikroskopi, men det var begränsat till att studera högst fem eller tio gener åt gången.

Avancerade en-cellsmetoder började användas på 2010-talet och har revolutionerat förmågan att effektivt räkna ett stort antal informationsbärande molekyler i cellen. Metoden är beroende av sekvensering för att studera alla (över 20 000) gener i en enskild cell. Nuförtiden är det också möjligt att studera miljontals celler, en i taget, och det genererar en ofantlig mängd data.

Studier av enskilda celler behöver inte bygga på en hypotes eftersom inget tidigare urval av gener behövs. Detta kallas för ett ”datadrivet” tillvägagångssätt, i och med att insamlad data snarare än en hypotes leder forskningsriktningen och resultat.

– Syftet blir att upptäcka nya oväntade biologiska mönster, som kan leda till nya forskningsfrågor, säger Johan Henriksson,

Detta kommer dock med två stora problem: Vi drunknar nu helt enkelt i data och tekniken är dyr. Det var en viktig drivkraft för det forskningsprojekt som Johan Henriksson och hans grupp startade. Frågor de ställde sig var: Om metoden är så dyr, hur kan man använda den på ett bättre sätt? Vad kan vi mer utläsa från datan som vi inte tänkt på tidigare?

En teori var att det skulle vara möjligt att mäta längden på telomerer – DNA-strukturer som utgör ändarna på våra kromosomer och skyddar dem. Varje gång en cell delar sig blir telomererna kortare. När de blir för korta kan cellen inte längre dela sig; den blir inaktiv eller genomet skadas, vilket kan omvandla den till en cancercell.

Johan Henriksson diskuterar ett experiment med postdoktorerna Iryna Yakovenko och Jyoti Verma.

BildMattias Pettersson

Projektet gick dock inte som planerat. Den initiala analysen av data såg lovande ut, men ju mer data som analyserades, desto fler motsägelser märktes.

– Efter en intensiv jakt på data från andra lab, som idag kan tankas hem och jämföras, blev vårt team desperat. Vi började istället fokusera på att undersöka vilka andra biologiska faktorer som kan påverka telomerlängdmätningen, säger Johan Henriksson.

Dataanalysen tvingade forskarna att bli alltmer uppmärksamma på detaljer i tidigare forskning om telomerer. Till exempel finns den förväntade sekvensen av humana telomerer – upprepade DNA-sekvenser av TTAGGG – även i andra delar av arvsmassan. Telomeren är dessutom inte en perfekt upprepning av TTAGGG, eller alls en upprepning. Snarare är telomermodellen nu så daterad och alltför förenklad att den kanske snarare är kontraproduktiv.

Avancerad sekvenseringsteknik har bidragit med ny data om telomersekvensen, men den är komplex och svår att tolka. Tolkningen påverkas också av hur mätningen utförs. Johan Henriksson menar att tekniken för att analysera arvsmassa från enskilda celler (ATAC-seq) behöver omvärderas. ATAC-seq använder en typ av genetiskt modifierad rörlig gensekvens, så kallad transposon, för att skära upp DNA:t i små bitar som kan sekvenseras.

– Baserat på några ganska komplicerade experiment visade det sig att transposonet varken duplicerar lokalt DNA som tidigare forskning antyder, och inte heller verkar det hacka upp telomeren lika mycket som andra delar av arvsmassan. Att mäta telomerlängd var helt enkelt inte möjligt med det här tillvägagångssättet, säger Johan Henriksson.

I en annan studie har forskarna redan använt mätmetoden för att lokalisera ett nytt outforskat tillstånd hos T-celler vilket verkar vara intressanta för immunterapi, en typ av cancerbehandling där kroppens egna immunsystem används för att bekämpa cancer.

Johan Henriksson lab arbetar tvärvetenskapligt i områden från datavetenskap till molekylärbiologi.

BildMattias Pettersson

Om den vetenskapliga artikeln

Iryna Yakovenko, Ionut Sebastian Mihai, Martin Selinger, William Rosenbaum,  Andy Dernstedt,  Remigius Gröning,  Johan Trygg,  Laura Carroll,  Mattias Forsell,  och Johan Henriksson: Telomemore enables single-cell analysis of cell cycle and chromatin condensation. 

https://doi.org/10.1093/nar/gkaf031

För mer information, kontakta gärna:

Johan Henriksson

Forskare

E-post

090-785 67 37 , 072-727 29 24

Läs mer om Johan Henriksson