Genomo interpretavimas

12 prototipų atrodo kaip surenkami vaikų fortai – šaldymo kamerų dydžio dėžės, padengtos ryškiai raudonu plastiku ir sugrupuotos po du ir tris ant betoninių grindų Pacific Biosciences, startuolio Menlo parke, Kalifornijoje. Tačiau paprasta mašinų išorė paneigia jų sudėtingumą. Kiekvienoje dėžutėje yra maža mikroschema, supakuota su tūkstančiais bakterijų ar virusų DNR gijų, kurių kiekviena yra nano dydžio duobutėje. Fermentas, prilipęs prie kiekvienos duobutės dugno, greitai sukuria atitinkamą grandinę, sujungdamas DNR bazes arba cheminius subvienetus, kurie tinkamai susijungia su pradinio DNR subvienetais. Kiekvienas iš keturių bazių tipų, pažymėtų raidėmis A, T, C ir G, yra paženklintas skirtingu fluorescenciniu žymekliu, kuris aktyvuojamas vykstant reakcijai, kuri prie grandinės pritvirtina naują bazę. Kadangi aparatas stebi reakcijas, kai jos vyksta, ji gali surinkti daugybę neapdorotų duomenų apie DNR mėginių sekas taip greitai, kaip jas gali įrašyti įmontuota kamera.

Itin greitas sekos nustatymas: Kompanijos „Pacific Biosciences“ prototipų mašinos išbandomos naudojant bakterijų DNR.

Šalia kiekvieno įrenginio įrengtas kompiuterio monitorius rodo vykstančio veiksmo momentinę nuotrauką. Ekrane išsisklaido daugybė šviesų, kurios greitai sprogsta ir išnyksta. Kiekvienas blyksnis trunka vos dešimtis milisekundžių, tačiau jo spalva rodo, kuri iš keturių bazių ką tik buvo pridėta prie DNR grandinės, o jo padėtis nurodo kur. Vaizdo įrašas turi būti sulėtintas, kad jį būtų galima peržiūrėti: blyksniai blyksteli per greitai, kad žmogaus akis galėtų juos apdoroti. Kompiuteriniai algoritmai paverčia blyksnių modelį į DNR sekas nuo šimtų iki tūkstančių bazių. Tada papildomi algoritmai palygina milijonus šių DNR ruožų, nustato sekas, kurios sutampa jų galuose, ir suderina dalis, kad užfiksuotų visą genomą.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Kalbant apie DNR sekos nustatymą, laikas yra pinigai, o „Pacific Biosciences“ komercinės mašinos, kurios turėtų pasirodyti 2010 m., gali pasirodyti greičiausios kada nors pagamintos. Žmogaus genomo projektui prireikė maždaug 300 milijonų JAV dolerių ir 13 metų, kad būtų nustatyta trijų milijardų DNR bazių porų seka sudėtiniame žmogaus genome. Ši užduotis buvo atlikta 2003 m. Iki 2008 m. spalio mėn. tyrėjai, naudojantys įvairias naujų tipų mašinas, buvo sakydami, kad jie gali sekti atskirą genomą už mažiau nei 100 000 USD; viena įmonė iki kito pavasario žada 5000 USD genomą. O „Pacific Biosciences“ prognozuoja, kad iki 2013 m. jos mašinos galės nustatyti žmogaus genomo seką per 15 minučių, už mažiau nei 1000 USD.

Iki šiol mokslininkai sekvenavo saujelės žmonių genomus ir tai suteikė jiems bendrą žmogaus kintamumo pojūtį. Tačiau greita, pigi sekos nustatymo technologija galėtų padėti nuskaityti tūkstančių, galbūt milijonų žmonių genomus. Sujungę tuos daugybę genomų ir susiedami konkrečias DNR sekas su skirtingomis savybėmis – ranka, ūgiu, kraujospūdžiu ir polinkiu į nerimą – mokslininkai turėtų sugebėti atskleisti sudėtingą genetinių variantų sąveiką, dėl kurios kiekvienas individas yra unikalus. Svarbiausia, kad toks sekos nustatymo pajėgumas pagaliau gali atskleisti paveldimą įprastų ligų pagrindą – mįslę, kuri jau dešimtmečius tyčiojasi genetikams.

Žurnalisto užrašų knygelė : Emily Singer

Tačiau tikrasis poveikis medicinai yra ne toks tikras ir gali būti daug mažiau teigiamas. Beveik du dešimtmečius mokslininkai žadėjo, kad sekos nustatymo technologijos pažanga leis gydytojams praktikuoti individualizuotą mediciną, skirtą pacientams gydyti pagal jų genetinius profilius. Buvo daroma prielaida, kad tam tikros ligos pagrindas yra ribotas bendrų genetinių variantų skaičius, o gydytojai galės skirti vaistus pagal tai, kokius variantus jų pacientai nešiojo. Tačiau naujausi duomenys rodo, kad net labiausiai paplitusios paveldimos ligos, tokios kaip diabetas ir širdies ligos, yra susijusios su daugybe skirtingų variantų, kurių kiekvienas yra gana retas. Jei tai tiesa, individualizuotos medicinos praktika gali tapti labai sudėtinga ir labai brangi. Nebūtų gerai turėti 5000 USD genomą ir 500 000 USD analizę, sako Francis Collins, buvęs Nacionalinio žmogaus genomo tyrimų instituto direktorius ir žmogaus genomo projekto vadovas.

Be bendrų variantų
Genominė medicina rimtai prasidėjo devintajame dešimtmetyje, kai mokslininkai nustatė genus, susijusius su tokiomis ligomis kaip Diušeno raumenų distrofija ir cistinė fibrozė. Abi yra vadinamosios Mendelio ligos, tai reiškia, kad jas sukelia vieno geno mutacijos; Kiekvienas, kuris paveldės vieną ar dvi mutavusio geno kopijas, priklausomai nuo ligos, susirgs. Per pastaruosius 20 metų mokslininkai nustatė daugelio Mendelio sutrikimų genus, o šiais atradimais pagrįsti atrankos testai leido nustatyti ankstesnes diagnozes. Esant sutrikimams, kurie išsivysto tik tada, kai asmuo paveldi dvi mutacijos kopijas, tyrimai gali nustatyti sveikus nešiotojus ir padėti jiems priimti labiau pagrįstus sprendimus dėl vaikų. Tačiau vieno geno sutrikimai sudaro labai mažą procentą žmonių ligų. Daugelio ligų atveju daug sunkiau nustatyti genetinius kaltininkus.

Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje mokslininkams pradėjus rinkti apytikslį genomo sekos projektą, jie atskleidė naudingą reiškinį. Dideli DNR blokai, žinomi kaip haplotipo blokai, buvo linkę nepažeisti iš kartos į kartą. Skirtingos šių blokų versijos, kurios buvo susietos su individo protėvių kilme, turėjo būdingų bendrų genetinių variacijų, žinomų kaip vieno nukleotido polimorfizmai (SNP), modelius, kuriuose genetinė seka skiriasi tik viena DNR raide. Taigi, signalinis SNP galėtų būti jį supančios DNR žymeklis. Šis atradimas buvo palaima genetikams – jei kiekvienas blokas žmonių populiacijoje pasitaikytų ribotame atmainų skaičiuje, nereikėtų tikrinti kiekvienos genomo bazės, ar nėra skirtumų, susijusių su įprastomis ligomis, tokiomis kaip astma ar šizofrenija. Tam tikro SNP buvimas parodytų, kurį haplotipo bloką asmuo nešiojo.

Mokslininkai sukūrė genetines mikromasyvas, kurios galėtų greitai aptikti šių bendrų SNP buvimą visame genome; nuskaitant signalinius pokyčius, palyginti nebrangų procesą, mikro matricos leido atlikti didžiausius iki šiol genominius tyrimus. Mokslininkai juos naudojo, kad dešimtyse tūkstančių žmogaus genomų būtų veiksmingai ieškoma SNP, dažniau pasitaikančių žmonėms, sergantiems autizmu ar Alzheimerio liga, nei sveikiems žmonėms. Per pastaruosius dvejus metus buvo paskelbta daugybė tyrimų, kuriuose nustatyta daugiau nei 300 genetinių variantų, susijusių su bendrų bruožų ir ligų asortimentu.

Tačiau šių skirtumų radimas nepadėjo pasiekti proveržio, kurio kai kurie mokslininkai tikėjosi suprasti įprastų ligų genetinį pagrindą. Taip yra todėl, kad paaiškėja, kad jie sudaro tik nedidelę daugelio ligų genetinės rizikos dalį. Pavyzdžiui, mokslininkai nustatė 18 genų, susijusių su 2 tipo cukriniu diabetu, ir buvo atlikti testai, skirti nustatyti skirtumus. Tačiau daugelis kitų paveldimų ligos rizikos veiksnių lieka nenustatyti. Tai reiškia, kad naujieji testai suteikia neišsamų vaizdą apie tai, kokia tikimybė, kad kas nors susirgs diabetu, todėl sunku juos panaudoti pritaikant medicininius sprendimus. Yra labai mažai priežasčių būti skatinamiems, kad prevencijos strategijos gali būti pakeistos tuo, ką iki šiol atradome [remiantis įprastų ligų genetiniu pagrindu], sako Davidas Goldsteinas, Durhamo Duke universiteto populiacijos genomikos ir farmakogenetikos centro direktorius. NC.

SNP medžioklė prasminga, jei paveldima rizika susirgti tokiomis ligomis kaip 2 tipo diabetas atsiranda dėl daugelio įprastų genetinių variacijų derinio, kurių kiekvienas turi nedidelį poveikį. Bet kas, jei tai tik dalis istorijos? O kas, jei kitos, retesnės genetinių mutacijų rūšys taip pat vaidina svarbų vaidmenį? Kadangi mikro matricos buvo sukurtos aptikti įprastus SNP, jos praleidžia variantus, kurie atsiranda mažiau nei 1 procentui gyventojų. Šios mutacijos yra alternatyvios hipotezės, kurioje, kaip ir Mendelio modelyje, didelio poveikio individualūs variantai labai prisideda prie ligos atsiradimo. Pagal šį mąstymą bet kuris iš variantų gali pasireikšti retai, bet jei jie veikia tuos pačius arba susijusius biocheminius kelius, jie gali sukelti panašius rezultatus. Kartu jie gali padaryti sutrikimą gana dažnu.

Iki šiol buvo dedamos tik ribotos pastangos ieškant retų variantų, susijusių su įprastomis ligomis. Ši paieška gali apimti kiekvienos DNR raidės sijojimą – tai galima padaryti tik nustatant seką. Naudojant senas technologijas, tai buvo per brangu, kad būtų praktiška. Tačiau, atsižvelgdami į nuviliančius mikrogardelių tyrimų rezultatus, mokslininkai kreipiasi į greitas naujas sekos nustatymo technologijas, kad griežtai patikrintų retų variantų hipotezę. Tikėtina, kad didžioji likusios [ligos] paveldimumo dalis slepiasi retuose variantuose, turinčiuose didelį poveikį, sako Collinsas. Jei tikrai norime suprasti ligų genomiką, mums reikia pilnų genomo sekų.

Vis dar neaišku, kiek retų variantų prisideda prie ligų, tačiau vis daugėja įrodymų. Šią vasarą paskelbtame tyrime Kalifornijos universiteto Berklio valstijoje biologai nustatė fermento MTHFR, paverčiančio B vitamino folatą, geną. (folio rūgštis) iš vienos formos į kitą. Mokslininkai anksčiau buvo nustatę įprastą genetinį variantą, kuris gamina susilpnėjusią fermento versiją, padidindama apsigimimų ir galbūt širdies ligų riziką. Sekvenuodami MTHFR geną 564 skirtingų etninių grupių žmonėms, Nickas Marini ir kolegos rado keturis naujus variantus, kurie taip pat pažeidžia fermento funkciją; kurių buvo mažiau nei 1 proc. tiriamųjų, šie variantai būtų buvę neaptinkami atliekant mikrogardelių tyrimus.

Asmeninis genomas
Neseniai vykusioje konferencijoje, vykusioje garbingoje Cold Spring Harbor laboratorijoje Long Ailende, Jamesas Watsonas, bendras DNR struktūros atradėjas, sėdėjo sustingęs priekinėje auditorijos eilėje po dideliu savo portretu. Watsono, kuris kurį laiką vadovavo Žmogaus genomo projektui, genomo sekvenavimas buvo atliktas 2007 m. Jo genomas buvo tik antrasis atskiras genomas, kuris buvo visiškai pažymėtas. (Craigas Venteris, vadovavęs privačioms pastangoms sekti genomą, kaip pavyzdį naudojo savo DNR.)

Watsonas nėra žinomas dėl to, kad sėdi per nuoseklius konferencijos pranešimus. Tačiau didelė šios konferencijos dalis buvo apie jį. Jis dalyvavo pokalbyje po pokalbio, kai mokslininkai pristatė savo analizę apie tai, kas meiliai žinoma kaip projektas Džimas. Watsonas yra iš pažiūros sveikas 80 metų vyras, o jo genomo tyrimo rezultatai iki šiol buvo gana kasdieniški. Jis turi papildomų genetinių variacijų, parodytų ankstesniuose tyrimuose, kopijas, kad apsaugotų, pavyzdžiui, nuo širdies ligų ir geltonosios dėmės degeneracijos. Iš pradžių nerimą kelianti mutacija BRCA1 genas, susijęs su krūties vėžiu, pasirodė esąs nekenksmingas. Tačiau didžioji dalis Watsono genomo lieka neaiškina. Mokslininkai dar nerado genetinio jo intelekto, smalsumo ar polinkio į politiškai nekorektiškus protrūkius. Bene svarbiausia Watsonui, kad dar neaišku, ar jis turi genetinį šizofrenijos pažeidžiamumą, kurį jis perdavė savo sūnui, kuris serga šia liga.

Žmogaus genomo projekto etaloninė seka, sudaryta iš daugiau nei 20 asmenų genetinės informacijos, suteikė mokslininkams pagrindinį genomo projektą. Tačiau vienas genomas turi savo ribas. Tik palyginę kelis genomus mokslininkai gali pradėti suprasti genetinį kintamumą, kuris yra pažeidžiamumo ligoms ar beprotybei pagrindas, polinkį į sportinį meistriškumą ar matematinį genialumą, potraukį į altruizmą ar agresiją.

Net Watsonas, kuris savo karjerą praleido bandydamas suprasti DNR, atrodo mažiau nei sužavėtas, kai pamatė savo genomo detales. Pažiūrėsime, ar kas nors iš jų prailgins mano gyvenimo trukmę penkiomis minutėmis, konferencijoje pastebėjo jis. Iš tiesų, daugumos jo genetinių keistenybių prasmė išliks paslaptimi, kol dar daugiau žmonių prisijungs prie jo ir nustatys savo genomų seką.

PGP 10: Pirmieji 10 asmeninio genomo projekto savanorių šiuo metu sekvenuoja savo genomus koduojančius regionus; rodoma nedidelė sekos dalis tiems, kurių duomenys skelbiami internete. Sekos duomenys bus saugomi viešoje duomenų bazėje kartu su savanorių medicininiais įrašais ir kita informacija, pavyzdžiui, jų veido morfologija (matuojama kaktos juostomis). Mokslininkai naudosis duomenų baze, kurioje, kaip tikimasi, ilgainiui apims 100 000 žmonių, norėdami ieškoti sąsajų tarp genų ir ligų ar kitų savybių.

Harvardo medicinos mokyklos genetikas George'as Churchas, kuris dirbo su sekos nustatymo technologijomis nuo pat doktorantūros studijų Harvarde devintojo dešimtmečio pradžioje, siekia paspartinti šį procesą. Prieš trejus metus Church pradėjo asmeninio genomo projektą (PGP), kurio tikslas per ateinančius penkerius metus surinkti genetinius ir medicininius duomenis iš tūkstančių žmonių. Projektas parodo ne tik techninius ir mokslinius iššūkius, kuriuos gali sukelti didelio masto žmogaus genomų sekos nustatymas, bet ir etikos problemas.

Bandomajame etape daugiausia dėmesio bus skiriama 10 savanorių, įskaitant Church, Harvardo psichologą Steveną Pinkerį ir verslininkę Esther Dyson. Pirmiausia jis suskirstys jų genomų koduojančius regionus - 1 procentą DNR, kuri nukreipia baltymų gamybą. Ši informacija kartu su dalyvių medicininėmis istorijomis (įskaitant receptų režimus) ir informacija apie jų ūgį, svorį, ranką ir kitus požymius bus saugoma viešoje duomenų bazėje. Bažnyčios komanda tikisi, kad ši duomenų bazė pasitarnaus kaip šaltinis mokslininkams ar net visuomenės nariams, norintiems ieškoti sąsajų tarp konkrečių genetinių variacijų ir ligų ar kitų savybių.

Pirmasis duomenų rinkinys, paskelbtas dalyviams spalį, rodo tiek sekos pažadą, tiek dabartinius genetinės analizės apribojimus. Johnas Halamka, Harvardo medicinos mokyklos CIO ir dar vienas iš 10 originalių savanorių, sužinojo, kad jis turi Charcot Marie-Tooth ligos, paveldimo neurologinio sutrikimo, mutaciją. Šis retas variantas nebūtų rastas naudojant esamus SNP masyvus. Tačiau kadangi Halamka vaikystę išgyveno nepažeistas, o įrodyta, kad tik trys kiti žmonės pasaulyje turi tą konkrečią mutaciją, sunku žinoti, kokią įtaką tai turėjo jo sveikatai, jei tokią. Galbūt daugelis žmonių turi skirtumą be jokio blogo poveikio, o ryšys tarp ligos ir mutacijos buvo pervertintas. O galbūt genas turi platesnį poveikį nei tikėtasi, padidindamas kitų neurologinių ligų riziką. (Arba, kaip pažymi George'as Church, radinys gali būti tiesiog klaida.)

Kuo daugiau įrašų duomenų bazėje, tuo lengviau bus suprasti tokį radinį kaip Halamka. O 2008 m. balandį Churcho komanda gavo Harvardo sutikimą išplėsti projektą nuo 10 iki 100 000 dalyvių. (Bažnyčia planuoja lėtai plėstis, kasmet tiriamųjų skaičių padaugindama iš 10.) Šiame kitame etape bus rimtai išbandytos ir genomų sekos nustatymo technologijos, ir gautų duomenų interpretavimo strategijos. Lapkričio mėn., praėjus maždaug metams nuo projekto pradžios, PGP mokslininkai įveikė tik maždaug penktadalį pradinių savanorių genomų koduojančių sričių sekos nustatymo. (Bažnyčia planuoja išplėsti PGP įtraukiant visą genomą, kai tik sekos nustatymas taps pakankamai pigus.) Jei jie norės sekvenuoti tūkstančius daugiau genomų, sekos nustatymo technologija turės tapti tokia greita ir tvirta, kaip tiki Bažnyčia.

Per daug informacijos
Naudojant PGP duomenis, kils problemų. Pirma, Church ir jo komanda turės išsiaiškinti, kaip geriausia duoti didesnei savanorių grupei savo rezultatus. Pirmieji 10 gavo individualias genetikos konsultacijas iš Joseph Thakuria, projekto medicinos direktoriaus ir klinikinio genetiko iš Harvardo medicinos mokyklos. Tačiau Thakuria negalės konsultuoti tūkstančių naujų dalykų. Atsižvelgiant į genetikų ir genetinių konsultantų, turinčių atitinkamą išsilavinimą, trūkumą, ši problema beveik neabejotinai pasireikš daug plačiau, nes asmeninė genomika taps prieinamesnė.

Tačiau didžiausias iššūkis kitame žmogaus genomikos etape greičiausiai bus aiškinti iš pažiūros nesibaigiančių variantų, kurie bus atskleisti, prasmės. Individualūs genetiniai pokyčiai atsiranda atsitiktinai, o kai kurie yra nekenksmingi. Kiti būna pavojingi, sutrikdo kai kuriuos gyvybiškai svarbius ląstelių procesus ir padidina ligų riziką. O kai kurie netgi gali būti naudingi – pavyzdžiui, pagerinti toksinų skaidymą ir taip apsaugoti nuo tam tikrų negalavimų. Tačiau dažnai neįmanoma pasakyti, kuriai klasei priklauso variantas, tiesiog pažvelgus į jį. Kadangi naujosios technologijos leidžia mokslininkams sekti daugelio žmonių genomus, žinomų variantų sąrašas greitai augs. Ši informacija bus sudėtinga ir sudėtinga interpretacijos požiūriu, sako Jamesas Evansas, Šiaurės Karolinos universiteto Chapel Hill genetikos ir medicinos profesorius. Mes visi turime mutacijų ir pakitimų, kurių tiesiog nesuprantame. Kaip įprasta, technologija bus pranašesnė už mūsų galimybes ja naudotis.

Naujos genominės informacijos sudėtingumas taip pat gali būti kliūtis personalizuotai medicinai, kurią turėjo pradėti taikyti genų sekos nustatymas. Tyrėjai tikėjosi sukurti testus, kurie numatytų asmens riziką susirgti konkrečia liga arba atskleistų, kuris vaistas labiausiai tinka gydyti. jį ar ją. Tačiau genetiniai testai, nustatantys naujai atrastas variacijas, nebus labai naudingi, kol mokslininkai neišsiaiškis, ką tie variantai reiškia. Ir jei daugelį įprastų ligų sukelia reti variantai, užduotis bus didžiulė. Norint suprasti riziką, pagrįstą retais variantais, mums prireiks metų, sako Dietrichas Stephanas, asmeninės genomikos startuolio Navigenics įkūrėjas ir vyriausiasis mokslo pareigūnas.

Kai kurie mokslininkai mano, kad tikroji genomikos vertė gali būti visai ne personalizuotoje medicinoje. Jie sako, kad tai tikrai pasiteisins gilinant mūsų supratimą apie ligas ir padedant mokslininkams atrasti naujus narkotikų tikslus. Pagrindinė genetinio kartografavimo vertė yra ne rizikos numatymas, o naujų įžvalgų apie ligos mechanizmus, rašė Davidas Altshuleris, gydytojas ir genetikas iš Plačiojo instituto Kembridže, MA, neseniai paskelbtame straipsnyje žurnale Science. Tiesą sakant, Altshuleris pabrėžia, kad net retų genetinių pokyčių nustatymas gali padėti daugeliui pacientų. Pavyzdžiui, tiriant paveldimą aukšto cholesterolio kiekį, randamą mažiau nei 0,2 procento gyventojų, buvo atrasti mažo tankio lipoproteinų (MTL) receptoriai, padedantys pašalinti cholesterolio perteklių iš kraujotakos. Tai savo ruožtu paskatino sukurti populiarius vaistus, žinomus kaip statinai, cholesterolio kiekį mažinantys vaistai, kurie padidina MTL receptorių skaičių kepenų ląstelių paviršiuje.

Niekas nežino, kada ateis kitas blokbasteris. Prognozuoti genomikos naudą tapo taip pat nedėkingas, kaip ir bandymas numatyti pačią ligos riziką. Ir kuo lengviau sekvenuoti genomą, tuo sunkiau suprasti sekų atskleidžiamą sudėtingumą. Kaip sako Collinsas, Žmogaus genomo projektas galbūt buvo paprastas darbas, palyginti su tuo, su kuo susidursime toliau.

Emily Singer yra Technologijų apžvalga vyresnysis biomedicinos redaktorius.

paslėpti