For første gang kan forskere måle tusindvis af proteiner i én celle. Det giver et sjældent kig ind i cellens maskinrum og viser, hvordan små fejl kan sætte sygdom i gang længe før nogen mærker symptomer.
I efterhånden nogle år har forskere haft mulighed for at studere, hvad der sker inde i enkelte celler.
Med enkeltcelle-mRNA-sekventering kan forskere se, hvilke ”grundtegninger” cellen har liggende til at bygge sine proteiner efter. Det kan være første skridt mod sygdom – for eksempel når sygdom opstår eller under fosterudvikling.
Bliver der for eksempel lavet flere grundtegninger (stykker af mRNA) til nogle proteiner, fortæller det forskerne én ting, mens flere grundtegninger af en anden slags fortæller noget andet.
Men mRNA-data viser kun, hvilke opskrifter cellen har liggende – ikke om den faktisk bruger dem til at bygge proteiner. Mange af dem ender måske bare på hylden uden at blive til proteiner.
Derfor har forskerne nu udviklet en metode, hvor de ikke længere nøjes med at se på grundtegningerne, men måler selve proteinerne direkte.
Selvom teknologien stadig er i sin tidlige ungdom, kan den blive et gennembrud: Den kan give os et hidtil uset detaljeret billede af cellers maskinrum – og måske vise, hvad der sætter sygdom i gang længe før vi kan opdage den.
“Vi opnår en større detaljerigdom i vores undersøgelser og bliver derigennem klogere på, hvad der sker på celleniveau i forhold til cellers funktion og dysfunktion. Med mRNA kigger vi kun på opskriften – nu kan vi endelig smage på selve maden,” fortæller en af forskerne bag udviklingen af den nye metode, klinisk professor Bo Porse fra Finsenlaboratoriet ved Rigshospitalet og Biotech Research og Innovation Centre, Københavns Universitet.
Forskningen er offentliggjort i Science.
Et nyt lag af viden – direkte fra proteinerne
Den nyudviklede metode er baseret på massespektrometri af enkelte celler.
Det svarer til at veje hver eneste byggeklods i cellen for at finde ud af, præcis hvilke proteiner den består af.
Bo Porse fortæller, at teknologien løser mange af de problemer, som nuværende metoder har.
Med enkeltcelle-mRNA-sekventering kan vi kun se de proteiner, cellen laver flest kopier af. Men det er ikke nødvendigvis dem, der er vigtigst. Nu kan vi faktisk måle direkte på proteinerne i sig selv. Flere studier har desuden vist, at mængden af mRNA i en celle ikke nødvendigvis afspejler, hvor mange proteiner der faktisk bliver dannet,” forklarer han.
Fra gennemsnitstal til enkeltceller
Bo Porse og hans kolleger vil især bruge metoden til at forstå blodceller – og hvad der går galt, når de bliver til sygdom.
Førhen, når forskere skulle undersøge proteinniveauer i blodceller, var de nødt til at undersøge blodet som én stor blanding af celler, som de så tog en gennemsnitsmåling af for at sige noget om for eksempel en persons helbredstilstand.
Med enkeltcelle-mRNA-sekventering blev det muligt at undersøge de enkelte celler og for eksempel differentiere mellem, hvad der sker i røde blodceller, hvide blodceller eller andre af blodets mange celler.
Undersøgelser af proteiner skærper dette blik.
Små signaler med stor betydning
For at teste metoden har forskerne fulgt, hvordan balancen mellem mængden af mRNA og proteiner skifter, mens umodne blodstamceller langsomt modnes til almindelige blodceller.
Det gjorde de ved først at måle, hvor meget mRNA og hvor mange proteiner cellerne indeholdt. Derefter sammenlignede de de to for at se, hvordan forholdet ændrede sig over tid.
“Vi kan blandt andet se, at selv om der på nogle tidspunkter er en god korrelation mellem de to, så ændrer det sig over tid. For eksempel hænger mængden af mRNA og proteiner godt sammen sidst i processen, men lige før stamcellerne beslutter, hvilken type blodceller de skal blive til, passer mængden af mRNA og proteiner pludselig ikke længere sammen, og det er vanvittigt spændende,” siger Bo Porse.
Forskerne kan se, at nogle proteiner forsvinder sporløst fra stamcellerne – selv om mængden af deres mRNA-opskrifter bliver stående.
“Havde man kun haft data på mRNA, havde man aldrig opdaget det. Så havde vi ikke kunnet identificere, at netop nogle af disse proteiner har betydning for stamcellers udvikling til andre celler. Vi har også lavet forsøg, hvor vi har slukket for disse proteiner, og der kan vi se, at stamcellerne mister deres stamcelleaktivitet,” siger Bo Porse.
Bo Porse fortæller, at teknologien til at kigge på proteiner i enkelte celler fortsat skal udvikles mere, men at den for nuværende kan komplementere mRNA-sekventering.
Med tiden ser Bo Porse dog, at det i mange tilfælde vil være mere relevant at kigge på indholdet af proteiner i celler og ikke leddet inden, altså mRNA.
Spor af sygdom i cellernes proteinlandskab
Bo Porses gruppe vil bruge teknologien til at opdage, hvad der går galt i blodcellerne, længe før sygdommen kan ses.
Et eksempel er blodsygdommen VEXAS, hvor fejl i cellernes nedbrydningssystem gør, at gamle eller defekte proteiner hober sig op.
Her vil det være meget mere relevant at undersøge, hvad der findes af proteiner i cellerne, frem for hvad der ligger grundtegningerne til.
Noget lignende sker ved sygdomme, hvor fejl i cellernes proteinfabrikker (ribosomer) gør, at de nye proteiner bliver bygget forkert — og derfor ikke kan udføre deres livsvigtige opgaver.
Også her er det mindre relevant, hvad grundtegningerne fortæller, men mere relevant at se på, hvad der faktisk findes af proteiner inde i cellerne.
“Vi er ved at lægge an til at lave en masse af denne type undersøgelser, der skal give os helt nye indsigter i en række sygdomme, som vi ikke har en tilbundsgående forståelse af i dag. Metoden kan også bruges ved mange andre sygdomme, hvor forskere hidtil kun har haft opskrifterne – men ikke har kunnet se, hvad der faktisk sker dér, hvor sygdommen begynder,” siger Bo Porse.
