Alle celler i vores krop indeholder det samme genetiske materiale. Forskellen på celler i hjernen og i hjertet afhænger derfor udelukkende af, hvilke gener der udtrykkes (tændes). Hvordan kontrollerer cellemiljøet dette? Ny forskning belyser denne proces og har afsløret en mekanisme for, hvordan en celle er i stand til at holde adskillige gener i denne parate tilstand og derefter kun vælge én gruppe, der skal aktiveres som svar på et signal fra det omliggende miljø. Disse opdagelser giver en indsigt i det grundlæggende spørgsmål om, hvordan gener tændes og slukkes, og om hvordan en celle har potentialet til at blive til flere forskellige typer specialiserede celler, men altid vælger kun at blive til én specifik celletype. Denne nye viden vil få afgørende betydning for stamcellebehandling og potentielt også for behandlingen af kræft.
Det minder mest af alt om et meget kompliceret jernbanenet. Menneskekroppens celler starter fra den samme remise og kører på de samme skinner, men inden længe møder de et skiftespor, hvor deres første skæbne afgøres. Efter adskillige sporskift er cellerne på vej i vidt forskellige retninger mod hver deres endestation, hvor de indgår i menneskekroppens forskelligartede væv. Men i modsætning til en konventionel jernbane, så forsvinder sporet tilbage til remisen, når cellerne først er kommet så langt i deres differentiering, og de kan aldrig vende tilbage.
Det har været dogmet i 30 år, at transskriptionsfaktorer er drivkraften bag genekspressionen og udløser disse ændringer ved at tænde og slukke for generne. Men ny forskning viser noget ganske andet: at transskriptionsfaktorerne muligvis repræsenterer selve jernbanesporene.
”Tidligere troede vi, at transskriptionsfaktorerne driver dén proces, der afgør om et gen udtrykkes og sidenhen oversættes til det tilsvarende protein. Vores nye resultater viser nu, at transskriptionsfaktorerne måske nærmere er cellens hukommelse. Så længe transskriptionsfaktorerne er koblet til et gen, kan det aflæses og dermed tændes, men dé signaler, som cellerne får udefra, ser ud til at afgøre, om genet bliver tændt eller slukket. Så snart transskriptionsfaktorerne er væk, er sporet skiftet, og cellerne kan ikke længere vende tilbage til, hvor de kom fra,” forklarer Josh Brickman, Professor og Group Leader på DanStem, Københavns Universitet.
Et enormt proteinlandskab
Spørgsmålet om, hvordan en celle langsomt udvikler sig fra én tilstand til en anden er nøglen til at forstå cellers adfærd i multicellulære organismer. Det er afgørende for stamcelleforskere at forstå dette, og derfor forsøger de til stadighed at forfine teknikker til at udvikle menneskekroppens mest basale celler til forskellige specifikke celletyper, så de fx kan bruges til at gendanne ødelagt væv.
Hidtil har det dog været ekstremt vanskeligt at undersøge de signaler, der skal til for at få celler til at skifte spor, da det er meget svært at få alle cellerne i en skål til at gøre det samme på samme tid. Selvom der findes fremgangsmåder til at undersøge individuelle celler, frembringer disse ikke data i høj opløsning, der muliggør beskrivelse rækkefølgen af de molekylære mekanismer, som ligger til grund for tænding og slukning af gener.
”Det har været utrolig vanskeligt at studere transskriptionen af DNA i cellerne og dermed også at lære at forstå og regulere processerne. Udfordringen har været, at vi har manglet redskaberne til at tænde og slukke for signalerne i en cellekultur, så vi kan studere de molekylære begivenheder, der ligger til grund for ændringer i genekspression, sådan som de forekommer i en ellers uforstyrret kultur. I vores nye studie er det lykkedes for os at udvikle et system, så vi med ét enkelt stof kan tænde for signalvejen og med et andet stof slukke for den igen,” forklarer førsteforfatteren, William Hamilton, der er adjunkt på DanStem, Københavns Universitet.
Forskerne brugte det nye tænd-sluk-signalsystem til nøjagtigt at fastlægge rækkefølgen af de enkelte begivenheder, der er involveret, når et gen tændes eller slukkes for første gang i stamceller. Forskerne kunne beskrive, hvordan gener tændes og slukkes, og under hvilke omstændigheder en celle kan bevæge sig ned ad sporet mod differentiering, men derefter vælge at vende tilbage til sit udgangspunkt. Forståelsen af, hvordan signalet modificerer proteiner i cellen, var afgørende for at forstå, hvordan gener tændes og slukkes ved hjælp af et signal.
Denne viden blev skabt i et samarbejde med proteinforskere fra Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research, inklusiv Jesper Olsens forskningsgruppe, som målte om cellens proteiner – som svar på signalet – er fosforyleret eller ej. Dette var afgørende for at bestemme den kæde af begivenheder, der fører til ændringer i genekspression. Modificeringen af proteiner ved fosforylering viser nemlig, hvordan celler reagerer på eksterne signaler og miljøbetingelser.
”Fosforylering fungerer som en slags lyskontakt for proteiner, enten ved at aktivere eller deaktivere en medfødt funktion, men i bund og grund er det selve måden, hvorpå information overføres inden i en celle. Samarbejdet med proteinforskerne gjorde det muligt for os at måle på fosforyleringen af tusindvis af proteiner inde i cellen som svar på signalet. På dén måde kunne vi skabe et meget præcist og utrolig omfattende kort over, hvordan proteinudtrykket i cellen løbende ændrer sig, når cellerne bevæger sig ind i de forskellige differentieringsstadier,” forklarer Josh Brickman.
Nye svar på fundamentale, videnskabelige spørgsmål
Disse resultater er overraskende. Selvom det ikke tidligere har været muligt at måle rækkefølgen af cellens transskriptionsprocesser så præcist som i dette studie, har dogmet hidtil været, at transskriptionsfaktorerne udgjorde dén tænd-sluk-kontakt, der er afgørende for at igangsætte oversættelsen af det enkelte gen. Dette er dog ikke tilfældet for fosterstamceller og muligvis andre celletyper.
”Transskriptionsfaktorerne udgør stadig et afgørende signal, men de driver altså ikke processen, som man tidligere har troet. Når transskriptionsfaktorerne er til stede, kan genet blive læst, og de bliver siddende et stykke tid efter, at genet er blevet læst. Og når de er væk igen, kan dét vindue, hvori genet kan læses, lukkes. Det kan sammenlignes med de hvide flystriber, som ses på himlen, når et fly er passeret. De bliver der for en stund, men diffunderer så langsomt væk igen,” forklarer William Hamilton.
Denne opdagelse er først og fremmest grundviden, som ændrer det fundament, som stort set alle molekylærbiologiske forskningsprojekter bygger på. For stamcelleforskere er de nye resultater særlig vigtige, da de giver forskerne et nyt indblik i, hvordan celler udvikler sig; hvilke veje, der er tilbage mellem de enkelte udviklingsstadier; og hvornår der ingen vej er tilbage. Især inden for kræftforskning vil den nye viden vække opsigt.
”I projektet havde vi fokus på signalering med fibroblastvækstfaktor (FGF) og ekstracellulære signal–regulerede kinaser (ERK), som er en signalvej fra en receptor på overfladen af en celle til DNA inde i cellekernen. Netop denne signalvej er fejlreguleret i mange kræftformer, og det er derfor vort håb, at mange af disse data i studiet kan hjælpe med at øge forståelsen af kræftens biologi ved at pege på nye måder hvorpå kræftcellers signalveje specifikt kan rammes,” konkluderer Josh Brickman.
“Dynamic lineage priming is driven via direct enhancer regulation by ERK” er udgivet i Nature. Flere af artiklens forfattere er ansat på Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Biology, DanStem, samt på Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research på Københavns Universitet. Projektet også involverede et vigtigt samarbejde med Naama Barkai, Professor, Weizmann Institute for Science, Rehovot, Israel og hans forskningsgruppe, som tilførte beregningsmæssig indsigt i påvisning af hurtige ændringer i genernes tændt og slukket tilstand som respons på miljøsignaler. Supplerende bevillinger fra Det Frie Forskningsråd, Danmarks Grundforskningsfond, Human Frontier Science Program og Lundbeckfonden finansierede denne forskning.
