Forskere har udviklet en kraftfuld ny teknologi, der markant forbedrer studiet af genfunktion i celler. Denne innovative metode muliggør samtidig analyse af, hvordan deaktivering af mere end 20.000 gener påvirker hundredvis af cellulære funktioner, hvilket potentielt accelererer opdagelser inden for genetik, sygdomsmekanismer og lægemiddeludvikling.
Inden for en lang række forskningsområder er der stor interesse for at vide, hvordan deaktivering af forskellige gener påvirker kroppens celler.
Det kan for eksempel være inden for sygdomsforståelse eller inden for lægemiddeludvikling.
Med traditionelle metoder er forskere ofte nødt til at kigge på effekten af for eksempel deaktivering af ét gen på cellefunktion, men nu har forskere udviklet en metode, der gør dem i stand til på samme tid at studere effekten af at deaktivere 20.000 forskellige gener enkeltvist på hundredvis af forskellige cellefunktioner.
Metoden hviler på en kombination af to banebrydende teknologier, der til sammen giver et revolutionært værktøj for storskala genetisk forskning.
”Vores metode er meget sensitiv og god til at tackle kompleksiteten i biologi i sygdom og sundhed. Det betyder, at vi kan lave meget større og mere komplekse forsøg, der kan belyse ting, som vi ikke kan belyse i dag. Jeg tror, at vi over de kommende år kommer til at se en eksplosion i brugen af denne type tilgang og de indsigter, som den kan give,” fortæller en af forskerne bag studiet, James T. (J.T.) Neal, der er Institute Scientist og Principal Investigator ved Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, MA, USA.
Den nye metode er publiceret i Nature Methods.
Eksisterende metoder har begrænsninger
Når forskere i dag skal studere effekten af at lukke ned for et gen, kan de gøre det på forskellige måder.
De kan som eksempel lukke ned for genet og studere cellen under et mikroskop.
Det vil give dem en idé om, hvad genet har af betydning for cellens morfologi og funktion.
En anden og mere avanceret metode er at benytte single-celle RNA-sekventering, hvor man manipulerer ved gener i en enkelt celle og undersøger, hvordan det påvirker cellebiologi gennem analyser af det RNA, som bliver produceret.
Problemet med begge disse metoder er dog, at de ikke er særligt skalérbare, hvis man som eksempel har lyst til at undersøge effekten af at lukke ned for hundrede til flere tusinde gener enkeltvist eller samlet.
Ydermere er single celle RNA-sekventering meget dyrt at udføre, mens undersøgelser af celler enkeltvist er ekstremt tidstungt.
”For at overvinde disse udfordringer havde vi til formål at udvikle en skalerbar og omkostningseffektiv metode til at studere, hvordan genetiske ændringer påvirker cellestruktur og funktion,” forklarer J.T. Neal.
Farver cellerne
Forskerne kombinerede i deres forskning to teknologier, som de selv har udviklet på Broad Institute.
Den ene er en teknologi til at farve celler og i et mikroskop identificere, hvilken effekt genetiske eller kemiske forstyrrelser har på den enkelte celle.
Det kan som eksempel være, at det at lukke ned for et givent gen har betydning for funktionen af forskellige organeller i cellen eller hele cellens form.
Det kan man visualisere med den metode, som kaldes for Cell Painting, hvor forskerne som eksempel maler mitokondrierne røde og cellekernen blå og på den måde lettere kan se, hvad der sker af ændringer.
Metoden kan også benyttes til at identificere ændringer i form og funktion i mange celler samtidig. Til det bruger forskerne avancerede computeralgoritmer til at identificere mikroskopiske ændringer i billeder taget af mange celler på samme tid.
Det er ændringer, som man ikke kan se med det blotte øje.
”Problemet med at bruge Cell Painting er dog, selvom den gør det muligt for os at observere effekterne af forskellige genetiske deaktiveringer i de forskellige celler, men vi kan ikke associere de ændringer i form og struktur med de individuelle genetiske ændringer i eksperimenter hvor vi manipulerer mange gener på en gang i forskellige celler,” siger J.T. Neal.
Giver cellerne en stregkode
For at komme omkring det problem kombinerede forskerne Cell Painting med optical pool screening, en anden teknologi udviklede på Broad Institute of MIT and Harvard, til at skabe PERISCOPE (perturbation effect readout in situ via single-cell optical phenotyping). Med CRISPR introducerer de genetiske ændringer i individuelle celler og samtidig udstyrer cellerne med en stregkode, som også kan ses under et mikroskop.
Stregkoden fortæller, hvilken genetisk ændring der er lavet i den enkelte celle, og forskerne kan på den måde sammenholde individuelle genetiske ændringer i tusindvis af celler samtidig til individuelle ændringer i form eller funktion.
Med metoden kan forskerne bruge mikroskopi til at studere effekten af at deaktivere mere end 20.000 gener enkeltvist i én stor eksperiment med millioner af celler. De kan derefter bruge maskinlæringsalgoritmer til at analysere de indsamlede billeder for at identificere subtile, men signifikante ændringer i cellulær struktur og funktion forårsaget af deaktiverede gener.
”Metoden koster en tiendedel til en hundrededel så meget som sammenlignelige metoder som enkelt celle RNA-sekventering og kan tilpasses til at studere en lang række celletyper,” forklarer J.T. Neal.
I forskningsarbejdet har forskerne benyttet metoden til at skabe et atlas over cellemorfologi som funktion af gener.
”Dette atlas er det første af sin slags, der giver omfattende kort over, hvordan gener former cellulær struktur på tværs af hele det menneskelige genom. Jeg tror på, at det rummer et enormt potentiale for at afdække nye biologiske indsigter,” siger J.T. Neal.
Kan studere komplekse genetiske interaktioner
J.T. Neal fortæller, at teknologien sparker døren ind til en helt ny måde at undersøge celler og gener på.
For eksempel kan forskere blive klogere på, hvad betydningen er af forskellige genetiske ændringer i celler involveret i kræft eller kardiometaboliske sygdomme i hidtil uset omfang og opløsning.
Det vil sige, at de ikke bare kan sige, at ændringer i et gen er involveret i sygdomme som kræft, men også hvad de ændringer resulterer i af ændringer i cellens form og funktion.
Lægemiddeludviklere med interesse for at kurere et hav af forskellige sygdomme kan også bruge metoden til at undersøge, hvordan potentielle lægemidler kan modvirke effekten af sygdomsrelaterede genetiske ændringer.
Endelig udmærker metoden sig også ved, at den er i stand til at tackle kompleksitet på en måde, som ingen anden metode kan gøre.
”En flaskehals har altid været, at vi kun kan studere effekten af én genetisk ændring ad gangen. Biologi og sygdom er dog sjældent så simpelt, men involverer ofte flere genetiske ændringer i samspil. Med skalerbarheden af denne metode kan vi introducere flere genetiske ændringer på samme tid og se, hvordan det påvirker cellefunktion og -form. Det er en type eksperimenter, der kommer til at blive meget værdifulde i fremtiden, når vi vil lære at forstå forskellige sygdomme endnu bedre,” siger J.T. Neal.
