Genregulering og genomstabilitet i livets aller tidligste faser
Til tross for at befruktning og de første celledelingene i embryoet er et fellestrekk blant alle dyr og mennesker er de også forbundet med mange feil som kan føre til aborter og sykdom.
Under modning av kjønnsceller, samt de første dagene etter befruktning, blir tusenvis av gener reprogrammert, det vil si skrudd av/på. Under modning av kjønnsceller (meiose) rekombinerer kromosomdeler fra mor og far slik at nye kombinasjoner av gener dannes.
Denne prosessen må balansere behov for genetisk stabilitet og genetisk diversitet.
Vi ønsker å karakterisere prosesser som er viktige for at et embryo skal utvikle seg normalt og gjør dette i et «En-helse» perspektiv ved at vi studerer egg og preimplantasjonsembryo fra modellorganismer, husdyr og mennesket.
Forskningsområde 1 - kontroll
Her vil vi forstå hvordan epigenetiske og epitranskriptomiske endringer påvirker utviklingen av oocytter (egg) og tidlige embryoer, noe som er avgjørende for korrekt transkripsjonsomprogrammering i embryoer.
Vi vil arbeide med små mengder oocytter og embryoer for å kartlegge spesifikke epigenetiske modifikasjoner og m6A-modifikasjonen på RNA. Samtidig vil de validere en patentert teknikk for enkeltcelle-analysere, kjent som ChIP-seq. Forskningen vil bli utført på mus og husdyr, med fokus på sentrale faser av meiose og tidlig utvikling, for å lage et referansekart over epigenetiske og transkriptomiske endringer.
Dette inkluderer en grundig analyse av de romlige og tidsmessige aktivitetene til viktige epigenetiske og epitranskriptomiske indikatorer, ved hjelp av innovative teknikker som CRISPR/Cas9 og levende celleavbildning for å studere cellepolaritet.
Resultatene vil bidra til å belyse hvordan spesifikke epigenetiske og epitranskriptomiske regulatorer påvirker utviklingsutfall, noe som kan gi innsikt i mekanismer for genregulering og reproduksjon. Prosjektet vil også inkludere genetiske screenings og evaluering av arvelighetseffekter gjennom ulike fruktbarhetsteknikker, samt øke vår forståelse av embryonal utvikling fra både teoretiske og praktiske perspektiver.
Forskningsområde 2 - (u)stabilitet
Meiose er en viktig prosess i seksuell reproduksjon og er til stede hos alle eukaryoter. Denne prosessen skal ende opp med korrekt rekombinasjon og feilfri fordeling av foreldrenes kromosomer. Imidlertid er det høy forekomst av abnormal utvikling av embryoer på grunn av kromosomfeil i meiose både hos mennesker og husdyr.
DNA er prekært for overføring av genetisk informasjon, men har begrenset kjemisk stabilitet og er utsatt for skader som må repareres av spesifikke enzymer. Det er kjent at epigenetiske og epitranskriptomiske faktorer spiller en nøkkelrolle i stabilitet og håndtering av DNA dobbelttrådsbrudd, men de eksakte mekanismene er fortsatt ukjente.
Her vil vi bruke musemodeller til å undersøke hvordan spesifikke mutasjoner påvirker kromosomfeil, spindelorganisering og mutagenese i oocytter og tidlige embryoer. Forskningen vil også fokusere på betydningen av epitranskriptomiske mekanismer og unike genstrukturer som G4- og R-loop-strukturer, samt retrotransposoner som kan påvirke genomets stabilitet. G4-strukturer er kjent for å spille en regulativ rolle under DNA-replikasjon og genuttrykk. Retrotransposoner er avhengige av epigenetiske faktorer for sin integrering i genomet.
Vi vil belyse disse strukturene og deres regulering i oocytter og tidlige embryoer, som er relativt lite utforsket. Målet er å forstå sammenhengen mellom mutasjoner og kromosomfeil, identifisere rolle og aktivitet av epitranskriptomiske markører, samt evaluere retrotransposoners atferd i meiose og tidlig embryo-utvikling.
Forskningsområde 3 - teknologi
Her bygger vi på tidligere studier som fokuserer på den dynamiske omprogrammeringen av oocytter og tidlige embryoer (forskningsområde 1) samt deres roller i genomstabilitet (forskningsområde 2). Vi ønsker å utvikle sensitive metoder for å analysere transkriptomet, epigenomet, epitranskriptomet og proteomet ved bruk av begrensede mengder cellulært materiale. Nylige fremskritt benytter magnetiske nanopartikler for isolering av nukleinsyrer.
Til tross for at oocytter er blant de største cellene, er de begrenset i antall, noe som kompliserer proteomiske studier. Den første proteomanalysen av enkelt-oocytter identifiserte omtrent 500 proteiner, og kontinuerlige utviklinger vil forbedre dette feltet. Forskningen på epigenomikk vil fokusere på ekstraksjon av nukleinsyrer, med mål om å forbedre teknikker som ChIP-seq ved bruk av av nanomaskiner som benytter magnetiske nanopartikler for økt effektivitet.
Når det gjelder epitranskriptomikk, er det nylig utviklet nye metoder for å analysere m6A-modifikasjoner i enkeltceller, med planer om å tilpasse disse teknikkene for andre RNA-modifikasjoner. Vi vil også utforske enzymer relatert til epitranskriptomiske prosesser og DNA-reparasjon i oocytter og tidlige embryoer, ved hjelp av innovative nanopartikkelteknologier for høyoppløselige genomiske og proteomiske studier.
Vårt tverrfaglige team inkluderer eksperter innen proteinrensing og nanopartikkelteknologi og vil samarbeide internasjonalt for å forbedre omics-teknologier innen utviklingsbiologi.
Forskningsområde 4 - embryoets skjebne
Hyppige utviklingsfeil i oocytter og embryoer utgjør betydelige utfordringer innen husdyravl og menneskelig reproduktiv medisin, inkludert in vitro-fertilisering (IVF). I husdyr påvirker faktorer som dårlig oocytkvalitet og DNA-metylering i sperm avlsresultatene.
For mennesker, til tross for fremskritt innen IVF-teknologi, fører bare omtrent 10 % av oocytter til graviditet, noe som medfører emosjonelt stress og høye kostnader for par. Ineffektivitet i begge kontekster understreker behovet for grundigere forståelse av epigenetiske og epitranskriptomiske påvirkninger på oocytt- og embryoutvikling.
Nylige funn antyder at tidlig utvikling av storfe kan likne tidlig humanutvikling. Norges sterke historie innen husdyravl og tilgang til fertilitetsdata gir en unik mulighet til å undersøke disse problemene.
Her fokuserer vi på å karakterisere oocytter og embryoer ved hjelp av ulike metoder, korrelere epigenetiske faktorer med utviklingsfeil, og utforske deres diagnostiske potensial.