Projektanslag

Med mål att skapa en atlas över hjärnan

Enkelcellsanalys är en metod som öppnat helt nya möjligheter att studera kroppens organismer och vävnad ända ner till genernas aktivitet i en enskild cell. Sten Linnarsson och hans forskargrupp vill förstå varför vissa celler specialiserar sig på vissa funktioner i specifika organ. I fokus står det mest komplexa av dem alla – hjärnan.

– Jag vill bygga en karta över hur hjärnan utvecklas i det normala fallet för att det sedan ska gå att titta på olika sjukdomsförlopp. Drivkraften är inte tillämpningarna utan att förstå hur hjärnan utvecklas och fungerar.

Det är den embryonala utvecklingen, hjärnas utveckling i fosterstadiet, som främst intresserar honom. Några av de sjukdomar som grundläggs i hjärnan redan i fosterstadiet är utvecklingsstörning, schizofreni och autism.

– För att förstå hjärnan måste vi först hitta och sortera alla komponenter som den består av för att sedan undersöka och kartlägga hur de fungerar med varandra.

En av pionjärerna

Enkelcellsanalys är en relativt ny metod och Sten Linnarsson tillhör pionjärerna. Kring 2013 när den visat sig vara pålitlig fick den ett stort genombrott och används nu inom all biologisk forskning.

– Tidigare har man inte kunnat studera gener i enskilda celler. Man har antingen studerat en gen genom vävnadssnitt i mikroskop eller tagit ett vävnadsprov som mixats ihop och då fått ett genomsnittsvärde på olika beståndsdelar.

Han gör en liknelse där de tidigare proverna varit som en fruktsallad som pressats till en juice. Med enkelcellsanalys kan man istället titta på de enskilda bitarna var för sig, sortera dem i högar efter typ och undersöka hur de förhåller sig till varandra.

Metoden gör det möjligt att tillämpa olika strategier, man kan titta på en sjukdom som exempelvis MS, som drabbar myelinet i hjärnan, eller koncentrera sig på att förstå hjärnans uppbyggnad.

– Vårt projekt består av två delar; vi vill kartlägga hjärnans celltyper och i vilka områden de finns samt förstå de mekanismer som gör att cellerna specialiserar sig på olika funktioner. Varför är vissa gener aktiva och tillverkar vissa enzymer i vissa celler? Det finns en sorts reglermekanism under den embryonala utvecklingen som gör att vi får rätt celler på rätt plats.

Karta över hjärnbarken

Sten Linnarsson och hans grupp har redan publicerat en studie i Science där de med hjälp av enkelcellsanalys gjort en karta av hjärnbarken, och visat vilka gener som är aktiva i de olika cellerna. De undersökte drygt 3000 celler, en och en, från hjärnbarken från möss och kunde också identifiera ett antal tidigare okända celltyper. Med hjälp av anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse fortsätter de nu med resten av hjärnbarken och andra delar av hjärnan.

– Vi hoppas kunna göra en atlas över hela hjärnan. För även om vi nu kan studera enskilda celler så vet vi inte varifrån de kommer. Vi känner inte till arkitekturen. När vi vet vilka celler som finns och vad de har för uppgifter kan vi gå tillbaka i vävnaden, färga in generna och se hur de är placerade och då också förstå omgivningens betydelse.

Till sin hjälp har de ett musmodellsystem.

– I jämförande studier har överenstämmelserna mellan mus och människa varit stor, konstaterar Sten Linnarsson.

Gruppen studerar också en slags elektroniska kretsar, enhancers, som är DNA-sekvenser som styr genernas aktivitet. De kan liknas vid strömbrytare som kan slå av och på gener så att de hindrar varandra från att göra det de ska. Något som kan leda till sjukdom, bland annat tumörtillväxt. Många typer av cancer orsakas av mutationer i enhancers.

Oansenlig maskin

Sten Linnarsson och hans forskargrupp som består av tio personer bedriver sin forskning vid Karolinska Institutet och tvärs över gatan, på SciLifeLab, där laboratoriet för enkelcellsanalysen är placerad. En nationell facilitet som Sten Linnarsson är föreståndare för.

I labbet står en liten oansenlig låda som är metodens hjärta. I den laddas celler tillsammans med reagens bestående av olja och en mix av enzymer. Maskinen applicerar ett tryck som pressar ut en emulsion i tunna kanaler och om allt har lyckats så finns det en cell i varje droppe. 48 000 celler kan processas samtidigt. Sedan sekvenseras de och då kan man se i vilka celler generna är aktiva.

­– Det är genom DNA-sekvenseringen som vi slutligen får ut resultatet, förklarar Sten Linnarsson.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström