Undervisning: jästlabben

IMG_0049

Den här veckan kör vi två undervisningslabbar på tema plasmamembran: Vi blandar jästsuspension med neutralrött, utsätter jästen för diverse förhållanden, centrifugerar ner den och se om den fortfarande har samma glada röda färg. Dessutom osmosövning med röda blodkroppar. (Tips: var beredd på att späda. Den 1-molariga saltlösningen kallar.)

Undervisning: mikroskopi

Som doktorand undervisar jag ju på 20% av min tid, bland annat på första kursen i Cellbiologi. Förutom att titta på illustrationer med lådor och pilar så skär vi också i grönsaker.

IMG_0025

Det här behövs: diverse grönfoder, färglösningar, mikroskop, objekts- och täckglas. Det går utmärkt att fotografera rakt ner i mikroskopet, men jag är ganska usel på det. Får öva mig under kursens gång och dra nytta av studenternas förmåga att göra preparat.

IMG_0035

IMG_0037

Blad av Elodea (vattenpest). Nedan två (mycket fula) preparat av bananer med och utan Lugols jodlösning. Om någon cellbiologistudent läser detta, tag lärdom. Vi kan få betydligt snyggare bilder än såhär:

IMG_0030

IMG_0031

Varför det inte går att fixa barn från två hanar utan att föda upp en chimärhona

… och sätta in extra kopior av några mycket viktiga gener i celler från den ena fadern.

Min första bloggpost handlade om möss med två mammor men ingen pappa. Det var faktiskt också en post om epigenetik, även om jag inte använde ordet då — genetisk prägling är nämligen några av våra bästa exempel på epigenetiska mekanismer, närmare bestämt DNA-metylering.

Nåväl, det går hur som helst att få möss att födas som saknar far. Det förekommer inte i naturen, utan är en laboratorieprocess där två äggceller, vara än är genetiskt modifierad, kombineras. En naturlig följdfråga (åtminstone för den som är biolog och/eller lite skruvad): går det att göra något liknande med två hanar? Jag skulle spontant ha svarat nej; eftersom att spermien innehåller så lite måste det behöva finnas en äggcell med i bilden.

Och det är sant, men samtidigt fel. Det krävs en äggcell, men nu har ett gäng påhittiga biologer (Deng m fl. Generation of viable male and female mice from two fathers.) kommit på ett sätt att få fram äggceller från hanar. Detta med hjälp av inducerade pluripotenta stamceller och chimärmöss. Sättet de gått till väga är minst lika omständigt, men det är ett ganska lämpligt ämne  ett år när nobelpriset i medicin gick provrörsbefruktning.

Läs mer

Preludium till epigenetiken

På sista tiden har det skrivits en och annan mer eller mindre bra förklaring av epigenetik. Jag ska försöka göra en till. Epigenetik är nämligen för tillfället på modet och det dräller av epigenetiska resultat.

Det bästa sättet att se var det kan finnas utrymme epigenetiska fenomen kan vara att jämföra cellertyperna i kroppen hos flercelliga organismer som vi själva. Med några lysande undantag — vissa gener i immunförsvaret går igenom slumpvisa omflyttningar under immunförsvarets utveckling; könscellerna har bara en kopia av genomet; och då och då inträffar det ju mutationer — har alla cellerna samma DNA. Ändå är de såklart väldigt olika.

Framför allt tillverkar de olika proteiner. Proteinerna är cellernas verktyg för att få något att hända; och proteinerna kodas av gener. Att en gen uttrycks innebär att den skrivs av från DNA till RNA och sedan (oftast; om inte cellen av någon anledning gör sig av med RNA-kopian innan den hinner användas) att proteinet kommer tillverkas.

Det är en komplicerad blandning av olika faktorer som får en cell att uttrycka en viss kombination av gener. (Hur individen utvecklas under sin livstid är en hel vetenskap i sig som kallas utvecklingsbiologi — observera skillnaden mot evolutionsbiologi, som handlar om hur populationer förändras över generationerna.) Olika kemiska signaler som utsöndras i embryot styr den i rätt riktning, och kontakten med närliggande celler spelar också roll.

Allt börjar med det befruktade ägget (zygoten) som delar sig till alla celler i organismen (och i däggdjurens fall en del celler utanför själva organismen — de bildar placentan). Efter all uppmärksamhet stamceller har fått tror jag det här är bekant för de flesta: De första generationerna av celler är förmögna att bilda vilken celltyp som helst, de är så kallat pluripotenta. Efter ett antal delningar tappar cellerna den förmågan. Nästan oavsett vilken miljö de sätts i så finns det någonting inom dem som bestämmer vad de ska göra och inte göra — från insidan.

Här kommer epigenetiken in. Ett epigenetiskt fenomen är någon sorts minne som finns i cellen och som överförs till dottercellerna vid celldelning. De epigenetiska mekanismerna är alltså en delmängd av systemen som reglerar genuttryck.

Alltså, den vanligaste definitionen är nog att epigenetik är något i stil med studiet av ärftliga skillnader i genuttryck som inte kan förklaras av skillnader i DNA-sekvens. Den är inte helt problemfri, för det är inte riktigt klart till vilken grad alla fenomen som brukar kallas epigenetik faktiskt går i arv till dottercellen.

Det typiska epigenetiska fenomenet är DNA-metylering. Låt oss för tillfället hålla oss till djur. (Växter använder DNA-metylering på ett snarlikt sätt. Bakterier gör något helt annat.) DNA består av baserna som förkortas A, T, G och C. C:et, cytosin, finns i två varianter: cytosin och 5-metyl-cytosin. 5-metylcytosin har, som namnet antyder, en extra metylgrupp. Om vi så vill, så kan det betraktas som en femte bas.

På ställen där ett C följs av ett G, en så kallad CpG-dinukleotid (p:et står bara för bindningen mellan baserna) tenderar C:et att vara 5-metylcytosin. Åtminstone i större delen av genomet. Just i närheten av gener finns det ibland stora samlingar ometylerade CpG-dinukleotider som kallas CpG-öar. Metylering av CpG-dinukleotider i  framför allt CpG-öar nära gener, men också olika reglerande DNA-sekvenser, har kopplats till reglering av uttryck. Metylering betyder oftast att genen stängs av — till exempel är den avstängda kopian av en präglad gen ofta metylerad på någon kritisk sekvens. Men sambandet är inte alls helt utrett.

Hur som helst är DNA-metylering en av många mekanismer som reglerar vilka gener en cell uttrycker. Och epigenetik är alltså till hjälp att förstå hur celler differentieras och hur organismen utvecklas. Men det finns mer; häng kvar.

Referensen de glömde: stamcellsjakt i ryggmärgen

”Stamcellsforskning” är ett ord med särskild laddning. Men allt som har med stamceller att göra behöver inte handla direkt om nya terapier. Stamceller har vanliga biologisk funktioner i kroppen också, som det finns mycket vi inte vet om.

Häromdagen gick det ut en mycket avskalad TT-notis om en artikel om sådan forskning. Notisen är fyra meningar lång, vilket måste vara någon sorts rekord. DN har en lite längre variant som får med (nästan hela) tidskriftens namn. Karolinska institutets pressmeddelande finns här och är betydligt mindre sparsmakat. Och slutligen, själva artikeln:

Fanie Barnabé-Heider, Christian Göritz, Hanna Sabelström, Hirohide Takebayashi, Frank W. Pfrieger, Konstantinos Meletis & Jonas Frisén (2010) Origin of new glial cells in the intact and injured adult spinal cord. Cell Stem Cell. Förhandspublicerat 8 oktober.

Vad är det då som försiggår? Låt oss ta en liten titt, som neurobiologiska amatörer. Att nervsystemet består av nervceller, det hörs ju på namnet. De avbildas här på en teckning av Santiago Ramón y Cajal, som föreställer två typer av neuroner i lillhjärnan.

Men nervcellerna är långt ifrån ensamma i nervsystemet; det finns en rad andra celltyper som är nog så viktiga. Med ett ord brukar de kallas gliaceller. De stödjer och skyddar neuronerna, reglerar den kemiska miljön och bildar myelin — ett isolerande lager kring nervcellernas utskott som krävs för att den elektriska signalleringen ska fungera ordentligt. Demyelinering, när myelinet av någon anledning skadas, är en del av MS och liknande sjukdomar. Några av dem är immunceller som äter upp inkräktare.

Och, viktigast i det här sammanhanget, när nervsystemet skadas är det gliaceller som rycker in för att bilda ny vävnad. Men gliaceller är flera olika celltyper och alla gör inte allt. Framför allt, som vi nämnde tidigare i samband med cancer, är det inte alla celler i kroppen som får dela sig. Den uppgiften sköts ofta av stamceller, celler som själva inte är helt specialiserade, utan istället har förmågan att dela sig och ge upphov till andra celler, som sedan blir de specialiserade celltyper kroppen behöver. Nya gliaceller i en skadad ryggmärg, till exempel.

Det Barnabé-Heider & co ville ta reda på vilken typ av gliaceller som fungerar som stamceller vid en ryggmärgsskada. Ur medicinsk synvinkel hade det varit intressant att kunna bilda nya nerver, men också myelinerande gliaceller. Och visst går det att få stamceller från nervsystemet att utvecklas till nervceller i plaströr- och skålar utanför kroppen. Men i kroppen är det inte så enkelt. Att förstå hur nya neuroner och nytt myelin bildas — och hur vi eventuellt kan få dem att återbildas bättre — är så klart ett av motiven bakom sådan forskning.

Det fanns tre huvudmisstänkta celltyper: oligodendroglia, ependymceller och astrocyter, som alla tidigare visat sig fungera som stamceller i olika sammanhang — i andra delar av nervsystemet eller i provrör. Astrocyter utmärker sig genom att de ser ut som små stjärnor; de är stödceller åt neuronerna i centrala nervsystemet. Oligodendroglia ägnar sig mest åt att isolera nervceller, alltså att bilda myelin (för ordningens skull: de oligodendroglia som de studerade i det här fallet är redan beskrivna som förstadieceller, alltså en cell som liknar en stamcell, men som bara bildar en enda celltyp). Ependymcellerna, slutligen, täcker ytan kring de vätskefyllda hålrummen i nervsystemet — hjärnans ventriklar och kanalen mitt i ryggraden.

Så, hur gick själva experimentet till? Barnabé-Heider & co använde transgena möss modifierade med en kombination av olika gener, som gör att mössens gliaceller färgas in med fluorescenta proteiner. När mössen avlivats och deras ryggmärg monterats i mikroskop går det alltså att se fluorescerande gliaceller.

Mössen har genen för proteinet Cre kopplat till en estrogenrecetpor. Det innebär att när cellerna utsätts för hormonet estrogen, eller det estrogenliknande ämnet tamoxifen, så aktiveras Cre. Cre i sin tur är ett rekombinas, ett enzym som klipper i DNA. Om en bit DNA omges av en vissa särskilda sekvenser — som går under det kryptiska namnet loxP — så kommer Cre att klippa bort den. Vidare så har mössen en gen för ett fluorescent protein, alltså ett protein som, ifall man lyser på det, lyser tillbaka med en viss färg. Den genen är kopplad  till en promotor (en kontrollsekvens som styr genens uttryck) som gör att det bara används i just den celltypen, och till en sekvens som stänger av uttrycket. Denna så kallade stoppsekvens gör att genen inte uttrycks alls — om inte stoppsekvensen klipps bort. Därför omges stoppsekvensen av loxP-sekvenser. Så, om Cre aktiveras så klipps stoppsekvensen bort och det fluorescenta proteinet uttrycks. Här är en bild på ependymceller — det gröna i mitten, kring kanalen i ryggmärgen — inmärkta med liknande teknik (Meletis et al. 2008):

Så, när musen får en injektion av tamoxifen så börjar antingen astrocyter, oligodendroglia eller ependymceller att uttrycka fluorescent protein. Och det fortsätter de med. På så sätt går det att spåra vilken celltyp nya celler kommer ifrån. Om astrocyter lyser gult i ett prov från en mus som uttrycker fluorescent protein i ependymceller — då vet man att ependymceller givit upphov till astrocyter.

De har tittat på möss med sådan genetisk infärgning i alla tre celltyperna, både på frisk ryggmärg och på möss som sövts ner och blivit utsatta för en ryggmärgsskada. Resultatet blev att i en skadad ryggmärg börjar alla tre celltyperna bilda fler av sin egen sort. Astrocyter bildar andra astrocyter. Förstadiecellerna till oligodendroglia bildar oligodendroglia. Men ependymceller bildar inte bara ependymceller, utan också andra celltyper. Det är alltså bara de som uppvisar stamcellsfunktion i det här arbetet.

För oss som inte är så inne på neurobiologi är det inte helt lätt att veta var den här artikeln passar in, för den är så klart del av ett pågående arbete med många olika artiklar och forskargrupper. Men något lär vi oss väl alltid, och på vägen fick vi ett par exempel på cellbiologiska illustrationer förr och nu.

Litteratur

Meletis K, Barnabé-Heider F, Carlén M, Evergren E, Tomilin N, et al. (2008) Spinal Cord Injury Reveals Multilineage Differentiation of Ependymal Cells. PLoS Biol 6 e182. doi:10.1371/journal.pbio.0060182

Fanie Barnabé-Heider, Christian Göritz, Hanna Sabelström, Hirohide Takebayashi, Frank W. Pfrieger, Konstantinos Meletis & Jonas Frisén (2010) Origin of new glial cells in the intact and injured adult spinal cord. Cell Stem Cell. Förhandspublicerat 8 oktober.