De genactiviteit van vele genen (gekleurde stipjes) in afzonderlijke cellen (blauwe lijnen) aangegeven (afb: NanoString)

Net als dat voor je woongenot de locatie van je woning belangrijk is geldt dat ook voor cellen. Tot voor kort moesten onderzoekers die de genactivteit wilden weten dat per cel bepalen, zonder dat ze wisten waar die cel vandaan kwam of ze maten gemiddelde over duizenden cellen. Inmiddels is er een techniek ontwikkeld, aangeduid met ruimtelijke transcriptomie, dat van duizenden cellen tegelijk de genactiviteit kan bepalen. Dat verandert het spel voor onderzoekers drastisch.
De nieuwe techniek werd deze maand breed uitgemeten op een virtuele AGBT-bijeenkomst van onderzoekers die zich bezighouden met genomen. Douglas Strand van de universiteit van Texas kon zijn confraters en -maters hele landschappen van genexpressie tonen die met die techniek zijn gemaakt van een stuk blaaskankerweefsel. Daarbij bleek dat het ogenschijnlijk nog gezonde weefsel dezelfde genactiviteit vertoonde als de kankercellen. Strand: “Die lijken meer op kankercellen dan op normaal weefsel.” Hij vond ook verrassingen in het kankerweefsel. Bepaalde patronen van genactiviteit zouden er op kunnen wijzen dat die cellen de kanker uitzaaien die bij andere kankercellen ontbreken.
Andere onderzoekers meldden met die transcriptoomtechniek Alzheimer te hebben bestudeerd om de dynamiek van verschillende T-celtypen te kunnen volgen of om long- en hartweefsel van coronapatiënten te onderzoeken. “Het veld ontwikkelt zich razendsnel”, zegt Aparna Bhaduri van de universiteit van Californië in Los Angeles die onderzoek doet aan menselijke hersens.

Onderzoekers onderzochten lange tijd de genactiviteit veelal door een lichtgevende ‘vlag’ te plakken aan het eiwit waarvoor dat gen codeert. Vanaf 2010 maten de onderzoekers het boodschapper-RNA om de genactiviteit te bepalen, maar bij die techniek moet je weefsel vermalen zodat je een gemiddelde krijgt van miljoenen cellen. Recenter begonnen onderzoekers de genactiviteit van afzonderlijke cellen te meten, maar doordat de ‘buitgemaakte’ cellen via bepaalde technieken uit het weefsel worden geïsoleerd is de plaats in weefsel van zo’n cel onbekend. “We konden delen van het plaatje zien maar niet het hele plaatje”, zegt Joseph Beechem van NanoString Technologies, een bedrijf dat vooraanstaand is op het terrein van ruimtelijke transcriptomie.

Locatie

In 2016 beschreven Zweedse onderzoekers hoe je de locatie van cellen kunt achterhalen terwijl je tegelijkertijd de activiteit van 200 genen bepaalt. Ze sneden weefsels in dunne plakjes samen met bekende stukjes DNA die dienst doen als identificeerbare streepcodes.
Dat geheel werd behandeld met zeepachtige verbindingen zodat de cellen hun bRNA lieten gaan. De streepcode-DNA gaf aan waar welk bRNA vandaan kwam. Met behulp van enzymen en DNA-bouwstenen werd vervolgens bepaald om welke bRNA-moleculen het ging. Op die manier kon de genactiviteit van cellen in die weefselplakjes worden bepaald.

Verschillende bedrijven gingen aan de haal om op basis van deze principes machines te bouwen om het transcriptoom van de cellen in een monster te bepalen. Dure machines, waarmee je tegelijkertijd de activiteit van duizenden genen van honderden cellen kon bepalen. “Dat kan je een hoop vertellen hoe de communicatie tussen cellen kan veranderen tijdens een ziekte”, zegt Aviv Regev van het bedrijf Roche.
Christopher Mason, een geneticus bij Weill Cornell Medicine, onderzocht met collega’s longbiopsies van, onder meer, corona- en grieppatiënten en vergeleken die met longweefsel van gezonde mensen. Met de apparatuur die zij gebruikten kon de genactiviteit van de afzonderlijke cellen niet goed bepaald worden, maar die kon daarentegen wel veel genen tegelijk aan. Dat schijnt een wetmatigheid te zijn bij deze apparatuur: hoe meer genen hoe minder nauwkeurig de locatie (welke cel in het weefsel) en omgekeerd.

Ze bepaalden met die methode de activiteit van het angiotensineomzettingsenzym-2-gen, een receptor waar het coronavirus op mikt en van macrofagen en neutrofielen, bepaald typen afweercellen.

50% macrofagen

Macrofagen maken normaal zo’n 4% van het celbestand van longen uit. In coronalongen kon dat oplopen tot 50%, zo vertelde Mason aan de congres’gangers’. Ook de longen zelf waren veranderd. In een late fase van de ziekte was de architectuur van de longcellen geheel ‘verknipt’ en waren ook cellen aanpalend aan bloedvaten veranderd. Mason: “Als je naar de genexpressie keek leek het er op dat de cellen vergeten waren wat ze moesten doen.”
Dit soort eerste ‘vingeroefeningen’ met die techniek geven de mogelijkheden ervan aan. Het werkt allemaal nog niet super en niet in alle typen weefsel, maar je kunt al heel veel meer dan voor een paar jaar. Wellicht dat hun prijs (een ton of drie) labs te duur zijn. Bij het Broadinstituut in Cambridge (VS) zijn ze aan het doe-het-zelven geslagen die ze ‘Slide-seq’ hebben genoemd.
Ze gebruiken daarbij kraaltjes bedekt met de streepcode-DNA om de herkomst van het bRNA van duizenden genen te kunnen vaststellen. Daar zijn ze al aan versie 2.0 toe, legde Robert Stickels op de ‘bijeenkomst uit.

Het hele protocol voor ‘Slide seq’ is openbaar en het ding schijnt makkelijk te bedienen te zijn. Stickels: “Er zullen weldra machines komen die nog meer kunnen en waarmee nog meer mogelijk is op het gebied van ruimtelijke informatie over RNA, DNA, chromatine, eiwitten, celgeschiedenis, metabolieten of wat dan ook op celniveau.” Er wordt al weer van een nieuwe revolutie in de biologie gesproken.

Bron: Science