27 maart

Genetische littekens geven inzicht in oorsprong individuele cellen

Terug naar nieuws

Wetenschappers van het Hubrecht Institute (KNAW) in Utrecht hebben een methode ontwikkeld waarmee ze de embryonale oorsprong van individuele cellen kunnen bestuderen. Het team uit de onderzoeksgroep van Alexander van Oudenaarden gebruikte daarvoor een combinatie van technieken, zodat ze genetische littekens konden aanbrengen en zo de oorsprong van deze cellen konden bepalen. Volgens de wetenschappers kan hun onderzoek leiden tot meer inzicht in de opbouw van het volwassen lichaam vanuit een enkele cel. Het artikel werd vandaag gepubliceerd in Nature.

De wetenschappers combineerden twee technieken die zijn geperfectioneerd in het eigen laboratorium: genome editing en single-cell RNA sequencing. Daarmee is het nu voor het eerst mogelijk individuele cellen te volgen in hun ontwikkeling tot een volwassen organisme. De onderzoekers pasten hun technieken toe in de zebravis, een populair onderzoeksmodel in de ontwikkelingsbiologie dankzij de korte rijpingstijd en de toegankelijkheid van de embryo’s.

Streepjescode
Een van de doelen van de ontwikkelingsbiologie is begrijpen hoe een enkele embryonale cel uitgroeit tot een compleet organisme. Daarvoor ontwikkelde de Van Oudenaarden-groep ScarTrace. Met behulp van de genetische knip-en-plaktechniek CRISPR/Cas9 introduceren of verwijderen ze stukjes DNA in of uit het genoom van embryonale cellen. De genetische littekens die daardoor ontstaan in nakomelingen van die cel vormen een overerfbare streepjescode. Wetenschappers kunnen daarmee groepen cellen van dezelfde afkomst identificeren en een stamboom opstellen. Prof. dr. ir. Alexander van Oudenaarden, groepsleider en directeur van het Hubrecht Institute: ‘Tot nu toe konden we tegelijkertijd onderzoek doen naar de stamboom van ongeveer tien verschillende voorlopercellen, terwijl een embryo bestaat uit tienduizenden cellen. ScarTrace geeft ons de mogelijkheid om al die cellen uniek te labelen.’ De onderzoekers hebben nu voor het eerst deze techniek gecombineerd met single-cell RNA sequencing: een techniek waarmee ze het genetische expressieprofiel van individuele cellen en celtype kunnen bepalen. Deze combinatie van technieken stelt de onderzoekers in staat om op het niveau van afzonderlijke cellen uitspraken te doen over hun afkomst.

Figuur 1a: embryonale cellen krijgen permanente, unieke labels die worden doorgegeven aan cellen in de volwassen zebravis. B: Zo’n label is een genetisch litteken, dat ontstaat door genetisch materiaal voor het GFP-eiwit in het embryo te injecteren samen met (het genetisch materiaal voor) Cas9. Dit eiwit zorgt voor het inbouwen van het eigenlijke label, GFP, in het embryonale genoom. (bron: Alemany et al.)

Terugrekenen
De wetenschappers pasten ScarTrace toe op drie organen in de zebravis: het bloed, de hersenen en de staartvin. Ze kwamen tot de ontdekking dat de vorming van alle bloedcellen stoelt op een relatief kleine populatie embryonale voorlopercellen. De cellen van het brein, de ogen en de staartvin zijn juist afkomstig van veel verschillende cellen tijdens de embryonale ontwikkeling. Daarnaast blijken er in de staartvin immuuncellen aanwezig te zijn die een andere herkomst hebben dan de bloedcellen elders in de zebravis. Een interessante vondst, vindt Van Oudenaarden: ‘Met deze complementaire techniek kunnen we eigenschappen van cellen in een volwassen organisme terugrekenen naar het embryonale stadium. Zo krijgen we meer inzicht in het ontwikkelingsproces.’ De hoge resolutie van ScarTrace voor het detecteren van de streepjescodes was daarbij essentieel. ‘We kunnen de genetische littekens opsporen met 90 procent zekerheid’, zegt Anna Alemany, postdoc in de Van Oudenaarden-groep en een van de auteurs van het artikel. ‘Zo’n hoge gevoeligheid is prachtig, want dat is op het niveau van individuele cellen nog nooit gehaald.’

Vragen
De resultaten roepen nieuwe vragen op. Is het bijvoorbeeld mogelijk om nauwkeurig te bepalen wanneer embryonale voorlopercellen hun celspecifieke doel kiezen? De methode leent zich ook voor het onderzoeken van de afkomst van celpopulaties op andere manieren, bijvoorbeeld in modellen voor kankeronderzoek. Van Oudenaarden: ‘We kunnen met deze methode als het ware terug in de tijd, naar de “embryonale fase” van de tumor. Van daaruit kunnen we de evolutie van de tumor bestuderen.’ De eerste stap voor dat onderzoek is het vertalen naar een model dat dichterbij de mens staat: de muis. En dat is volgens Van Oudenaarden al lastig genoeg. ‘Voordat je een kankermodel in de muis kan testen moet je alle ingrediënten, zoals het Cas9-eiwit, inbouwen in het genetische materiaal.’ Met organoïden, mini-orgaantjes die in het lab zijn opgekweekt van menselijke weefselspecifieke stamcellen, zouden onderzoekers wel gelijk aan de slag kunnen met menselijk materiaal. ‘Maar het nadeel daarvan is dat je niet werkt met een levend organisme. Dat kan zorgen voor vertekende resultaten.’ In elk geval laat dit onderzoek zien dat de toepassingen van de combinatiemethode erg divers zijn. Alemany: ‘Deze methode gaat veel verder dan de ontwikkelingsbiologie.’

Opmerkelijke samenwerking
Dit onderzoek benadrukt de multidisciplinariteit van het onderzoek in het Hubrecht Institute: de vier co-auteurs hebben elk vanuit hun eigen expertise meegewerkt aan de publicatie. Daarnaast werd dit artikel gepubliceerd in samenspraak met twee andere onderzoeksgroepen die onderzoek deden naar hetzelfde onderwerp, ook de zebravis als modelsysteem gebruikten, maar zich richtten op andere fases in de ontwikkeling. Deze samenwerking is vrij uniek in de wetenschappelijke wereld. Van Oudenaarden: ‘Om te voorkomen dat we het elkaar moeilijk zouden maken om te publiceren, hebben we constant gepraat over onze vorderingen.’ De groepen, werkzaam bij het Max Delbrück Center for Molecular Medicine in Berlijn en bij Harvard University in Boston, hielden elkaar collegiaal op de hoogte in skypegesprekken en tijdens congressen. ‘We hebben het publiceren zelfs expres vertraagd tot we wisten dat de andere papers waren geaccepteerd’, zegt Van Oudenaarden. ‘Als een andere onderzoeksgroep een paar maanden eerder publiceert, kan jouw jarenlange onderzoek ineens veel minder nieuwswaarde hebben.’ Journals zijn daar volgens hem wel soepeler in geworden: soms wordt een artikel gepubliceerd ondanks een scoop. ‘Maar bij grote bladen zoals Nature en Science blijft het een competitieve wereld. Daarom zijn we erg blij dat we de publicatie van de artikelen rond dit onderwerp hebben kunnen coördineren.’

Alexander van Oudenaarden is directeur en groepsleider bij het Hubrecht Institute, hoogleraar Kwantitatieve Biologie van Genregulatie aan het UMC Utrecht en de faculteit Bètawetenschappen van de Universiteit Utrecht, en een van de onderzoeksleiders van Oncode Institute.

Over het Hubrecht Institute
Het Hubrecht Institute is een onderzoeksinstituut dat zich richt op ontwikkelings- en stamcelbiologie. De 20 onderzoeksgroepen van het instituut doen fundamenteel en multidisciplinair onderzoek, zowel in gezonde systemen als in ziektemodellen. Het Hubrecht Institute is onderdeel van de Koninklijke Nederlandsche Akademie van Wetenschappen (KNAW) en bevindt zich op Utrecht Science Park ‘De Uithof’. Sinds 2008 is het instituut geaffilieerd met het Universitair Medisch Centrum Utrecht. Dit bevordert de vertaling van het onderzoek naar de kliniek. Het Hubrecht Institute heeft een partnerschap met het European Molecular Biology Laboratory (EMBL). 

Over de KNAW
De Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) is het forum, de stem en het geweten van de Nederlandse wetenschap. Zij ontleent haar gezag aan haar op kwaliteit geselecteerde leden. Vanuit een onafhankelijke positie bewaakt zij de kwaliteit en de belangen van de wetenschap en adviseert zij de regering. Zij is verantwoordelijk voor vijftien instituten die met hun onderzoek en collecties tot de voorhoede van de Nederlandse wetenschap behoren en internationale faam genieten.

Over UMC Utrecht
UMC Utrecht behoort tot de grootste publieke gezondheidszorginstellingen in Nederland en is een internationaal leidende instelling op het gebied van gezondheidszorg, (bio)medische opleidingen en wetenschappelijk onderzoek. UMC Utrecht wil attractief zijn voor werknemers, interessant voor talent, en een cultuur uitstralen van samenwerking, innovatie, duurzaamheid en de wil om te presteren. In een organisatie waarin de patiënt voorop staat, werken ruim 11.000 medewerkers aan het voorkómen van ziekte, verbetering van de zorg, en het ontwikkelen van innovatieve behandelmethoden; dit allemaal met kwaliteit en patiëntveiligheid als basisprincipes. Voor meer informatie, ga naar www.umcutrecht.nl. 

Over Oncode Institute
Oncode Institute is een onafhankelijk instituut dat zich inzet om fundamentele inzichten over kanker zo efficiënt mogelijk te vertalen naar betere en meer betaalbare zorg voor de patiënt. De beste kankeronderzoekers van Nederland zijn samengebracht onder een overkoepelende strategie in een missie-gedreven instituut met drie pijlers: excellent onderzoek, intensieve samenwerking en krachtige valorisatie.