En befruktet eggcelle i et passelig vekstmiljø hos mor. Mer skal det ikke til.
Denne ene lille cellen inneholder alt arvematerialet som trengs for å lage et nytt individ, med hjerne, lemmer og indre organer. Men hvor går egentlig veien fra celle til en hel skapning?
Et menneske – eller en frosk – består jo av en hel masse ulike celler: Hudceller, blodceller, muskelceller og nerveceller. Hvordan blir den ene cellen til alt det?
Vi vet en hel del om den saken, forteller professor Hilde-Gunn Opsahl Sorteberg fra NMBU.
En blir til alt
Den ene cellen er ikke en hvilken som helst celle. Den er en pluripotent stamcelle – en celle med evnen til å utvikle seg til alle andre celletyper i menneskekroppen.
Cellen begynner å dele seg, og hver av de nye cellene inneholder det samme som den første: Hele DNAet – altså den fullstendige oppskriften på skapningen. Men det er likevel en forskjell: De nye cellene begynner å bruke oppskriften på ulik måte.
Signalstoffer fra mora får cellene til å skru av og på ulike gener, og dermed ta fatt på hver sin utviklingsvei. Senere tar embryoet selv over styringa, forteller Sorteberg.
Celler med lignende egenskaper samler seg på spesifikke steder, og begynner å signalisere til hverandre. Etter hvert spesialiserer de seg til helt bestemte celletyper og organiserer seg i vev og organer.
– Uante muligheter
Alt dette har biologer funnet ut, for eksempel ved å fargemerke noen få celler og følge med på hvor de ble av. Eller ved å slå ut enkeltgener og se hvordan dette påvirket utviklingen i embryoet.
Likevel har vi bare sett de grove trekkene i utviklingen. De fleste detaljene er fortsatt ukjente. Hvilken vei går hver enkelt celle fram mot ferdig spesialisering? Når bestemmer de seg for hva de skal bli? Og hvilken rolle spiller genene i de ulike stadiene av utviklingen?
Nylig kom imidlertid resultatene fra tre ulike studier som kan vise seg å få stor betydning for forståelsen av denne utviklingen. Her hadde flere forskerteam både samarbeidet og jobbet hver for seg for å utvikle nye metoder for å undersøke cellene.
– Jeg tror disse nye metodene innebærer uante muligheter, sier Sorteberg, som ikke selv har vært med på studiene.
Hun tror teknikkene kan føre til ny kunnskap om livet, og på lengre sikt til framskritt innen både medisin og matproduksjon.
Fra tre stjerner til galakse
Forskerne bak artiklene har undersøkt befruktede egg fra sebrafisk og frosk, og de har angrepet saken fra flere vinkler.
Noen av forskerne har klart å lese m-RNA-et i absolutt alle cellene i embryoet, på mange ulike stadier i løpet av det første døgnet etter befruktningen. Dette gir en helt annen type informasjon enn å kartlegge genene.
For mens DNA-et forteller hvilke gener en celle har, sier m-RNA-et hvilke gener som er i bruk. Altså hva cellen er og gjør akkurat da.
I tillegg til å lese m-RNA-et, fargemerket forskerne cellene så de kunne følge bevegelsene deres. Dessuten brukte de matematiske og statistiske metoder til å følge hver av cellenes utviklingslinje, helt tilbake til den første cella.
Dette gjør at forskerne plutselig sitter med enorme mengder informasjon, sammenlignet med utbyttet av tidligere teknikker.
– Det er et helt univers av muligheter som data som dette åpner opp, sier Alexander Schier, en av forskerne bak den ene studien, til Quanta Magazine.
– Før, da vi bare kunne jobbe med noen få gener, eller noen få celler, eller noen få utviklingsstadier, var det som å se to eller tre stjerner. Nå kan vi plutselig se en hel galakse.
Tre-tanke var feil
Det oppsiktsvekkende ved de nylig publiserte artiklene er kanskje aller mest de nye metodene. Men resultatene inneholder også noen overraskende og tankevekkende funn.
Det viste seg for eksempel at cellenes skjebne slett ikke er så bestemt som forventet.
Tidligere har forskerne antatt at cellene utvikler seg som grenene på et tre. Den første cellen er stammen på treet. Men så begynner dattercellene å utvikle seg i forskjellige retninger, som ulike grener på treet.
Senere kan cellene i en gren spesialisere seg videre, og dermed danne enda nye forgreninger, til du til slutt ender opp med alle de ulike celletypene.
– Dette todimensjonale tankesettet var lettere å forestille seg, sier Sorteberg.
Det passet godt for planteceller, selv om utviklingskartet for dyreceller kan være mer komplisert.
Tanken har uansett vært at veivalgene er ugjenkallelige: Når en celle først har valgt en gren, kan den ikke ombestemme seg og bli til en celletype fra en annen gren.
Men dette viste seg å være feil, ifølge de nye resultatene.
Mer robust enn ventet
I noen tilfeller kunne to celler med samme spesialisering ha helt forskjellig opphav. De hadde altså gått forskjellig vei, men endt opp på samme sted.
Dette kan bety at det ikke bare er gen-innstillingene i linja cellen følger som bestemmer hva den skal bli til slutt. Kanskje betyr omgivelsene mer enn antatt.
– Dette er normalen i planter, der signaler utfra cellenes GPS-koordinater bestemmer identitet og utvikling. Men kanskje gjelder det også i dyr? Det er veldig spennende, sier Sorteberg.
Hun mener resultatene peker mot at de biologiske systemene for utvikling er mer robuste og fleksible enn antatt. Kanskje kan andre celletyper ta over plassen og identiteten til en celle som ikke fungerer som den skal?
En slik fleksibilitet kan for eksempel gjøre det lettere å takle mutasjoner – feil i genene – eller andre problemer.
Noen av de nye resultatene kan faktisk peke mot nettopp det.
Lærebøkene ikke lenger korrekte
Forskerne lagde en mutasjon som ødela sebrafiskens mulighet til å lage en viss celletype. Men resultatet for utviklingen i embryoet ble mye mindre alvorlig enn beregnet.
En slik fleksibilitet kan bety at noe av kunnskapen vi har om genene er feil, sier Sorteberg.
Forskere bruker nettopp mutasjoner for å finne ut hva et gen gjør: De skrur av genet i et forsøksdyr, og ser hvordan dette påvirker kroppen. Men hva om andre celler tar jobben og identiteten til feilende søsterceller? Da kan det jo virke som om ting fungerer, selv når et viktig gen er slått ut.
– Jeg må faktisk gå igjennom kurset jeg underviser i, og ta høyde for at en del av sannhetene i lærebøkene ikke er helt korrekte, sier Sorteberg.
Det er ikke umulig at flere forelesere må gjøre det samme, etter hvert som det kommer nye resultater fra forskning med de nye metodene.
Referanse:
D. E. Wagner, C. Weinreb, Z. M. Collins, J. A. Briggs, S. G. Megason, A. M. Klein, Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo, Science, april 2018. Sammendrag.
J. A. Farrell, Y. Wang, S. J. Riesenfeld, K. Shekhar, A. Regev, A. F. Schier, Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis, Science, april 2018. Sammendrag.
J. A. Briggs, C. Weinreb, D. E. Wagner, S. Megason, L. Peshkin, M. W. Kirschner, A. M. Klein, The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution, Science, april 2018. Sammendrag.
