Žmogaus genomas, po dešimtmečio

2010 m. birželio 13 d Niujorko laikas pirmame puslapyje paleido istoriją apie genomikos įtaigą. Straipsnyje, pavadintame po dešimtmečio, genų žemėlapis duoda nedaug naujų vaistų, teigiama, kad žmogaus genomo projektas, kurio rezultatai buvo paskelbti Baltųjų rūmų spaudos konferencijoje 2000 m. birželio mėn., o išsamiai paskelbti 2001 m. vasario mėn. žada surasti daugelio įprastų ligų priežastis. Pasak istorijos, genomas buvo sudėtingesnis, nei daugelis mokslininkų įsivaizdavo, todėl buvo sunku atskirti trijų milijardų DNR vienetų arba bazių porų, kurių seką nustatė projektas, funkcijas. Kiti žurnalistai ir tinklaraštininkai netrukus niūriai susimąstė, kad projekto, kuriam įgyvendinti prireikė 13 metų ir 3 milijardų dolerių, rezultatų stygius.

Ši informacija papiktino Eriką Landerį, kuris buvo vienas iš Žmogaus genomo projekto lyderių ir dabar vadovauja Broad Institute – pirmaujančiam biomedicinos tyrimų centrui, kuriam bendradarbiauja Harvardo universitetas ir MIT. Norėčiau pamatyti citatą, kurioje aš kada nors apie tai garsinau, sako Landeris. Įrašuose sakau, kad tai užtruks ilgai, o kitas žingsnis yra rasti ligos pagrindą, o tada reikia gaminti vaistus. Sakiau, kad tai padės mūsų vaikų vaikams. Pereiti nuo ligų užuomazgų teorijos prie antibiotikų, išgelbėjusių žmonių gyvybes, prireikė 60 metų. Galime tai įveikti. Bet kiekvienas, kuris 2000 metais manė, kad 2010 metais išgysime, ką nors rūkė.

Ši istorija buvo mūsų 2011 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Landeris cituoja ilgą technologinių pažangų ir mokslinių įžvalgų, kurios atsirado įgyvendinant projektą, sąrašą. DNR sekos nustatymo kaina sumažėjo nuo šimtų milijonų dolerių vienam asmeniui iki tūkstančių. Žinoma, kad vieno geno nukrypimų, sukeliančių ligas – ligas, kurios yra nuolat retos ir kurios būdingas paprastam Mendelio paveldimumui, skaičius šoktelėjo nuo maždaug 100 iki beveik 3000. Augantis įprastų ligų, kurios buvo atsekamos dėl kelių genetinių variantų, sąrašas apima viską nuo aklumo iki autoimuninių ligų ir medžiagų apykaitos sutrikimų, tokių kaip diabetas. Tyrimai su vėžiu susiejo daugiau nei 200 genų – beveik tris kartus daugiau nei buvo žinoma anksčiau.

Landeris pripažįsta, kad daugelis žmogaus genomo ypatybių tik neseniai buvo aiškiai sufokusuotos – tai rodo, kad tai labiau judantis taikinys, nei manyta anksčiau. Žinoma, genai, tradiciškai apibūdinami kaip baltymus koduojantys DNR regionai, ilgą laiką buvo pagrindinis tyrinėtojų dėmesys. Tačiau naujausi tyrimai pabrėžė nepaprastą DNR regionų, kuriuose nėra paties baltymo kodo, galią, o veikiau kontroliuoja įjungimo / išjungimo jungiklius, kurie nukreipia genų ekspresiją, arba tai, kiek tas baltymas iš tikrųjų gaminamas. Visas mikroRNR pasaulis persikėlė į centrą dėl jų gebėjimo nutildyti genus.

Naujasis epigenetikos laukas rodo, kaip du organizmai, turintys identiškas genetines sekas, gali turėti skirtingas charakteristikas dėl paveldimų ne DNR faktorių, tokių kaip metilo grupės, kurios yra įprasti reaktyvūs cheminiai subjektai, keičiantys genų elgesį. Daugelis ligų dabar buvo siejamos su papildomomis arba trūkstamomis genų kopijomis, reiškiniu, vadinamu kopijų skaičiaus variacija. Tyrėjai taip pat skiria didesnį dėmesį transpozonams ir kitiems mobiliesiems genetiniams elementams, kurie gali sukelti mutacijas, įsiterpti į genus arba visiškai juos ištrinti.

Nė vienas iš šių veiksnių nėra naujai atrastas, pabrėžia Landeris. Tačiau per pastaruosius 10 metų bruožai, kurie kažkada buvo laikomi mažais žaidėjais, įgavo pagrindinių veikėjų statusą, o dabar dažnai susilaukia tiek pat dėmesio, kiek patys genai. Taigi iš tiesų genome yra daug daugiau nepatogių tiesų, nei buvo manoma prieš dešimtmetį. Pasikeitė pati idėja, ką paveldime ir ką perduodame.

Tačiau Landeris teigia, kad dėl tokio sudėtingumo sunku sukurti diagnostiką, gydymą ir gydymą. Jis pateikia naujausių tyrimų, kurie beveik 100 genų susiejo su lipidų metabolizmu, pavyzdį. Vienas iš jų, kuris savaime turi nedidelį poveikį, yra statinų vaistų, kuriuos daugelis žmonių vartoja, kad sumažintų cholesterolio kiekį, taikinys. Tai, kad su problema susijusi dešimtys genų, nereiškia, kad norint ją užpulti, reikia dešimčių vaistų; greičiau, anot jo, atskleidžiama, kad yra daugybė būdų įsikišti. Jis sako, kad visi biologijos mokslai dirba rinkdami sudėtingumą ir atpažindami, kad tai yra riboto įvykių repertuaro dalis. Genomas įdomus yra tai, kad jis sukūrė mums bendrą vaizdą ir leido pamatyti paprastumą.

Pagrindinis iššūkis šiandien yra kataloguoti ir sutvarkyti tai, kas dažnai atrodo kaip chaosas – ši užduotis vargu ar stebina tuos, kurie daugelį metų dirbo su genomu. Kaip sako Marcas Vidalis, genetikas iš Dana-Farber vėžio instituto Bostone, nuo 1990-ųjų vidurio buvo stiprus jausmas, kad vien genomo sekos nustatymo neužteks.

SPRENDIMAI
Didesnį supratimą apie žmogaus genomą daugiausia lėmė sparti technologijų pažanga. Ir pats didžiausias pažanga buvo dėl sąnaudų ir sekos nustatymo greičio. Per pastaruosius penkerius–šešerius metus kaina kasmet mažėjo 10 kartų, taigi, palyginti su kompiuterių pramone, tai yra tikrai nuostabus eksponentinis sumažėjimas, sako Harvardo universiteto genetikas George'as Churchas, padėjęs sukurti daugybę pagrindinių sekos nustatymo technologijų.

Tačiau net ir tobulėjant technologijoms viso žmogaus genomo sekvenavimas vis dar kainuoja apie 20 000 USD – daug mažiau nei 3 mlrd. USD, bet vis tiek brangu. Pagrindinė šios srities strategija, skirta susieti genetinę sandarą su stebimais bruožais – genotipu su fenotipu – yra palyginti daug asmenų, tikintis nustatyti skirtumus, kurie galėtų paaiškinti, pavyzdžiui, kodėl vienai grupei išsivysto šizofrenija, o kitai – ne.

Per pastarąjį dešimtmetį viso genomo asociacijų tyrimai, kurių metu tikrinama daug asmenų, siekiant nustatyti tam tikra liga sergančių žmonių genetinius variantus, tapo standartine didelių žmonių grupių DNR palyginimo technika, nereikalaujant ištisų sekų. Šie tyrimai buvo atidžiai išnagrinėti: jie buvo dėmesio centre Niujorko laikas Straipsnis Landers užpuolė ir daug kritikos mokslinėje literatūroje.

Pirmajame šių tyrimų etape buvo bandoma atrasti ligų genus, sutelkiant dėmesį į mutacijas, susijusias su vienos DNR bazių poros variacijomis - mutacijomis, kurios buvo gana dažnos ir paveikė daugiau nei 5 procentus populiacijos. Idėja yra ta, kad šie įprasti variantai, vadinami vieno nukleotido polimorfizmais (SNP), dažniausiai atsiranda tam tikruose genomo modeliuose ir perduodami kartu. Taigi jie tarnauja kaip aplinkinės DNR žymekliai: žmonės, kurie dalijasi SNP rinkiniais, kurie yra žinomi kaip haplotipo blokai, turėtų turėti tas pačias specifinių genų versijas. Tyrimas, vadinamas HapMap projektu, kuriame buvo tiriama daugiau nei 200 žmonių iš keturių skirtingų populiacijų, sukūrė žmonių variacijų katalogą, kuris, kaip tikėjosi, leis genomo masto asociacijų tyrimuose rasti viską nuo genetinių veiksnių, dėl kurių žmonės serga, iki evoliucinių populiacijų bruožų. . Konkrečių haplotipų ir bruožų sąsajos nenustatė genetinių priežasčių, bet atkreipė dėmesį į mažus chromosomų regionus – regionus, kuriuose, kaip manoma, yra atsakymai.

Tačiau paaiškėjo, kaip teigė Duke universiteto genetikas Davidas Goldsteinas kritikoje, paskelbtoje 2009 m. balandžio 23 d. Naujosios Anglijos medicinos žurnalas , šis įprastas variantas turi daug mažesnį fenotipinį poveikį, nei tikėtasi. Goldsteinas pažymėjo, kad ūgio tyrimas nustatė 20 variantų, kurie kartu paaiškino tik apie 3 procentus žmonių skirtumų. Tokie rezultatai paskatino kai kuriuos tyrėjus laužyti galvą dėl trūkstamo paveldimumo ir tamsiosios genomo medžiagos. Goldsteinas tvirtino, kad pagrindinė problema, naudojant genomo masto asociacijos tyrimus ieškant genetinių ligos šaknų, yra ta, kad daugelis įprastų ligų gali būti siejamos su daugybe retų variantų, o ne su keletu įprastų. Jis taip pat samprotavo, kad šie tyrimai turės mažai reikšmės tais atvejais, kai daug genų turi nedidelį indėlį į ligą, nes nurodant viską, genetika nenurodys nieko.

Esė į Ląstelė po metų Mary-Claire King ir Jonas McClellanas iš Vašingtono universiteto Sietle paleido dar vieną gelbėjimąsi į genomo masto asociacijos tyrimus. Jie sutiko su Goldsteinu dėl retų variantų vaidmens sergant ligomis ir taip pat tvirtino, kad ta pati mutacija gali sukelti skirtingas ligas skirtingiems žmonėms, o skirtingos mutacijos gali sukelti tą pačią ligą. Be to, jie rašė, kad jei mutacija yra tokia reta, kad ji randama tik keliems asmenims ir jų artimiausioms šeimoms, analizuojant tūkstančius nesusijusių žmonių, bus nepastebėta genetinių ligos šaknų. Jie padarė išvadą, kad genetinių kelių į ligą skaičius yra daug didesnis, nei buvo įvertinta anksčiau.

Pasak genetiko Davido Altshulerio iš Masačusetso bendrosios ligoninės Bostone, tokia kritika nepatenka į prasmę, kuri teigia, kad atakos prieš genomo masto asociacijų tyrimus ignoruoja gausius įrodymus, kad šie tyrimai atskleidė svarbias sąsajas su ligomis. Kai kurie tyrimai, kuriuose buvo bandoma susieti bendrus variantus su bendrais bruožais, nustatė labai silpnas asociacijas, jis pripažįsta, tačiau jis nurodo keletą, kurie atskleidė gana didelius genetinius diabeto, Pietų Azijos širdies ligų, afroamerikiečių inkstų nepakankamumo ir pjautuvinių ląstelių genetinius veiksnius. europiečių anemija, be kitų ligų.

Altshuleris pripažįsta, kad genomo masto asociacijos tyrimai turi savo trūkumų, tačiau jis sako, kad atsižvelgiant į sekos nustatymo kainą, ši nuoroda buvo didelė palaima mokslui. Ar po 10, 20 metų įpilsite lašą kraujo į aparatą ir gausite tobulą seką, ir tai viskas, ką darote? Taip, sako jis. Ar tai viskas, ką turėtumėte padaryti 2010 m.? Nebent esate kietas. Sekvencija kainuoja daug daugiau.

Netgi visa žmogaus genomo projekto surinkta DNR seka turėjo kritinį apribojimą: kiekvienas individas turi daug daugiau variacijų, nei aptiko. Mes turime diploidinį genomą, po vieną chromosomą paveldėjome iš kiekvieno iš mūsų tėvų. Taigi, mes turime po dvi kopijas iš 23 skirtingų chromosomų, tačiau Žmogaus genomo projektas tiesiog suskirstė 23 chromosomas – sudėtinį rinkinį, sudarytą iš kelių asmenų. 2007 m. Craigas Venteris, vadovavęs privačioms sekos nustatymo pastangoms, kurios buvo pagrindinis Žmogaus genomo projekto konkurentas, dirbo su Toronto ligonių vaikų ligoninės medicinos genetiku Stephenu Schereriu, kad sekvenuotų visą jo diploidinį genomą ir rado daugiau nei keturi milijonai skirtumų tarp chromosomų, kurias jis paveldėjo iš savo motinos ir tėvo. Ekstrapoliuojant šį radinį, galima daryti prielaidą, kad skirtumai tarp žmonių buvo ne 0,1 proc., kaip buvo įvertinta Žmogaus genomo projekte, o daugiau kaip 0,5 proc. Visiems tyrimams turėtumėte pažvelgti į genomą diploidiniame kontekste, sako Schereris. Štai kur mes turime eiti.

LĄSTELĖ
Per pastarąjį dešimtmetį mokslininkai nustatė daugybę niuansuotų genomo ypatybių, o dabar tobulina sekos nustatymo metodus ir kitas technologijas, kurios praplės jų supratimą apie genomo kraštovaizdį. Tačiau apskritai svajonė pritaikyti šias žinias žmonių sveikatai naudinga išlieka. Daugybė genominių duomenų rasti tinkamos medicininės informacijos yra didžiulis iššūkis.

Įvairios skirtingos schemos dabar bando suprasti šiuos duomenų kalnus, siekdamos kataloguoti visus baltymus (proteomas), RNR molekules (transkriptą), metabolitus (metabolomas) ir sąveikas (interaktomas). Tačiau kai kurie tyrinėtojai teigia, kad labai svarbu šį didžiulį duomenų rinkinį įtraukti į biologinį kontekstą. Sidnėjus Brenneris, mokslininkas iš Salko biologinių tyrimų instituto La Jolla (Kalifornija) ir Kembridžo universiteto Anglijoje, laikosi ypač griežtos nuomonės. Šis „omikos“ mokslas mus sugadino, sako Brenneris, 2002 m. gavęs Nobelio premiją už vadovavimą projektui, kuris prieš ketverius metus užbaigė pirmąją visą daugialąsčio organizmo – kirmino – seką. Caenorhabditis elegantiškas . Tai sukūrė idėją, kad jei tik surinksite daug duomenų, viskas pasiteisins.

Brenneris teigia, kad mąstymo apie genomą organizavimo principas yra ląstelėje, pagrindiniame gyvybės vienete. Esė, kurią jis paskelbė 2010 m. sausio 12 d Karališkosios draugijos filosofiniai sandoriai B Brenneris apibūdino projektą, pavadintą CellMap, kuris kataloguotų visų tipų ląsteles organizme ir išsamiai paaiškintų, kaip kiekvienoje ląstelės aplinkoje elgiasi skirtingi genetiniai regionai (ne genai). Jis palygino jį su miesto žemėlapiu, kuriame identifikuojamas kiekvienas namas, jame gyvenantys žmonės ir sąveika namuose bei tarp jų. Manau, kad turėtume daryti genetiką, o ne genomiką, sako Brenneris. Kai atliekate genetiką, daugiausia dėmesio skiriate funkcijai. Kai atliekate genomiką, tai tik raidės ir skaičiai. Niekas nesijaudina dėl ryšių.

Į ląsteles orientuotas metodas yra tik vienas iš būdų suprasti genominius duomenis. Tačiau įsitikinimas, kad DNR sekos ir kita genetinė informacija nebus mediciniškai naudinga, kol jos nebus geriau susietos su biologija, yra įprastas mokslininkams. Užuot pradėję nuo DNR ir tikėdamiesi nustatyti, kaip tai sukelia sudėtingas ligas, jie sako, kad reikia sutelkti dėmesį į pacientus ir tai, kas, biologiškai kalbant, buvo blogai; tada mokslininkai gali pabandyti suprasti pagrindinę genetiką. Pradėkime nuo paciento ir dirbkime atgal, sako Altshuler. Kažkas, kas labai sumažino [genominio] darbo biomedicininį poveikį, yra neabejotinas tikėjimas, kad visko galima išmokti taikant redukcionistinius metodus ir modelių sistemas. Mums jų reikia, bet reikia didelių investicijų į žmogaus tyrimą.

Harvardo bažnyčia sutinka, kad nebuvo padaryta pakankamai, kad genominiai duomenys būtų susieti su stebimais bruožais. 2004 m. jis pradėjo asmeninio genomo projektą, kurio tikslas – nustatyti 100 000 žmonių, kurie savanoriškai dalijasi savo medicininiais įrašais ir faktais apie savo gyvenimo būdą, DNR. Be šios informacijos sunku suprasti, kaip individo DNR seka sukelia ligas arba yra su jomis susijusi, sako Church: tai kliūtis interpretacijai. Tai baigia pernelyg supaprastinti tai, kas turi būti viena iš sudėtingiausių biologinių problemų – kaip žmonės veikia.

Bauginanti iššūkis buvo atskleisti genetinį ligų pagrindą, Altshuler sako, kad per pastarąjį dešimtmetį buvo padaryta didelė pažanga. Jis prognozuoja, kad ligų genų kartografavimo era greitai baigsis. Nesu tikras, ar tai bus penkeri metai, ar 10 metų, ir aš nenoriu pasakyti, kad mes paaiškinsime visą paveldimumą. Bet kai suskirstysime šimtą tūkstančių žmonių ar milijoną, žinosime, ką reikia žinoti.

Praėjus dešimtmečiui po Žmogaus genomo projekto pabaigos, mokslininkai vis dar atranda esminių netikėtumų, kaip paveldime ligas. (žr. „Genomo tamsioji medžiaga“. ) . Vis dėlto, nepaisant nežinomybės, mokslininkai pradeda naudoti genomo duomenis, kad atskleistų vieną didžiausių medicinos paslapčių: kaip ir kodėl ląstelė tampa vėžine. (matyti Vėžio genomas ) . Atotrūkis tarp Žmogaus genomo projekto pažado ir šio pažado įgyvendinimo klinikoje neabejotinai susiaurės, nes mokslininkai atpažins sudėtingas ir subtilias genominio kraštovaizdžio detales ir jį formuojančias sąlygas. Kad tai užtrunka, neturėtų stebinti. Kaip sako Landeris, kai žmonės sako, kad genomas yra daug sudėtingesnis, nei mes manėme, turite atsitraukti ir pasakyti: „Kaip manai, kad tai būtų paprasta?

Jonas Cohenas yra rašytojas ir mokslo žurnalistas, įsikūręs San Diege. Naujausia jo knyga yra Beveik šimpanzės: ieškome to, kas daro mus žmonėmis atogrąžų miškuose, laboratorijose, draustiniuose ir zoologijos soduose.

paslėpti