Μια δεκαετία πριν, μια διεθνής ερευνητική ομάδα ολοκλήρωσε μια φιλόδοξη προσπάθεια να διαβάσει τα 3 δισεκατομμύρια γράμματα γενετικής πληροφορίας που βρέθηκαν σε κάθε ανθρώπινο κύτταρο. Το πρόγραμμα, γνωστό ως Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος, παρείχε το σχέδιο για την ανθρώπινη ζωή, ένα επίτευγμα που έχει συγκριθεί με την προσγείωση ενός ανθρώπου στο φεγγάρι.
Ο Δρ Eric D. Green συμμετείχε από την αρχή, εξευγενίζοντας ορισμένες από τις βασικές τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν στο έργο. Εκείνη την εποχή, ήταν μεταδιδακτορικός συνεργάτης και κάτοικος παθολογίας στο πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σαιντ Λούις. Έβγαλε το 5% του γονιδιώματος, εστιάζοντας στη χαρτογράφηση του DNA του χρωμοσώματος 7. Σήμερα, ο Green είναι ο διευθυντής του Εθνικού Ινστιτούτου Ανθρώπινου Γονιδιώματος, ο οποίος προάγει την κατανόηση του ανθρώπινου γονιδιώματος μέσω της έρευνας γονιδιωματικής.
Ας επιστρέψουμε στα μέσα έως τα τέλη της δεκαετίας του '80, όταν ιδρώθηκε αρχικά η ιδέα για το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος. Ποιο ήταν το κίνητρο τότε;
Εξαρτάται από ποιον ρωτάς. Διάφοροι άνθρωποι είχαν διαφορετικά κίνητρα. Λάβετε υπόψη ότι η δεκαετία του '70 και στις αρχές της δεκαετίας του '80 ήταν η εποχή της επανάστασης της μοριακής βιολογίας. Υπήρξαν σημαντικές προόδους στις μεθόδους που μας επέτρεψαν να απομονώσουμε και να μελετήσουμε το DNA στο εργαστήριο.
Στις ΗΠΑ, για παράδειγμα, το Τμήμα Ενέργειας ενδιαφέρθηκε πολύ για την έννοια της μελέτης του γονιδιώματος εξαιτίας του ενδιαφέροντος για μετάλλαξη και της διαδικασίας μετάλλαξης που σχετίζεται με ορισμένες μορφές ενέργειας, όπως η πυρηνική ενέργεια.
Εάν πηγαίνετε σε μέρη όπως τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας ή εξετάζετε βιοϊατρικούς ερευνητές και ερευνητές που σχετίζονται με την υγεία, ενδιαφέρονται πολύ να είναι σε θέση να διασαφηνίσουν τη γενετική βάση των ασθενειών. Μεταξύ των πολλών γενετικών ασθενειών που εξετάζονταν, φυσικά, ήταν ο καρκίνος.
Πολλοί άλλοι άνθρωποι στο φάσμα της βιοϊατρικής έρευνας - ακόμη και εκείνοι που εργάζονται σε μοντέλο οργανισμών, όπως μύγες και σκουλήκια και μαγιά - αναγνώρισαν ότι αν μπορούσαμε να καταλάβουμε πώς να εξετάσουμε διεξοδικά τα περίπλοκα γονιδιώματα, ξεκινώντας από τις μύγες και τα σκουλήκια και τη ζύμη, ο δρόμος μας προς τον άνθρωπο, θα παρέχει θεμελιώδεις πληροφορίες για την κατανόηση του πώς λειτουργεί το γονιδίωμα.
Υπήρξε μια συνάθροιση πολλών διαφορετικών ιδεών που, με φόντο της αυξανόμενης αλλά σημαντικής τεχνολογικής προόδου, κατέστησαν φανερό ότι, ενώ ήταν αποθαρρυντικό, το πρόβλημα της αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος και του προσδιορισμού της τάξης των 3 δισεκατομμυρίων επιστολών ήταν εφικτό.
Από πού προέρχεται το υλικό για το γονιδίωμα; Ποιος ήταν το γονιδίωμα;
Όταν ξεκίνησε το πρόγραμμα γονιδιώματος, ήταν ακόμα αρκετά αποσπασματικό. Διάφοροι άνθρωποι έκαναν διαφορετικές συλλογές και θραύσματα DNA που ονομάζονταν βιβλιοθήκες, τα οποία είναι μόνο κομμάτια DNA που κλωνοποιούνται. Θα το κάνουν από κανέναν: Μερικές φορές θα ήταν το κεφάλι του εργαστηρίου, μερικές φορές θα ήταν ο μεταδιδακτορικός ή ο φοιτητής. Θα έπαιρναν μόνο το DNA τότε, όταν πραγματικά δεν είχαν συνέπειες από αυτό.
Αλλά όταν τελικά ήρθε η ώρα να φτιάξουμε τις βιβλιοθήκες που επρόκειτο να χρησιμοποιηθούν για την αλληλούχιση του ανθρώπινου γονιδιώματος από το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος, το άτομο που ήταν το καλύτερο πρόσωπο για να φτιάξει αυτές τις βιβλιοθήκες ήταν ένας επιστήμονας που εργάστηκε στο Roswell Park Cancer Institute στο Μπάφαλο της Νέας Υόρκης. [Η ομάδα] έλαβε ενημερωμένη συγκατάθεση από περίπου 10 ή 20 ανώνυμους δότες αίματος και στη συνέχεια πήρε ένα από αυτά τυχαία και αυτό ήταν το άτομο. Περίπου το 60% της αλληλουχίας ανθρώπινου γονιδιώματος που δημιουργήθηκε από το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος ήταν από έναν δότη αίματος στο Buffalo της Νέας Υόρκης.
Αλλά, ξέρετε τι, δεν έχει σημασία. Εάν περάσετε την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος που παράγεται από το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος, είναι σαν ένα μωσαϊκό. Μπορείτε να πάτε για εκατό χιλιάδες γράμματα και ίσως να είναι ένα άτομο, από το Μπάφαλο. Ίσως να καταλήγετε ότι θα πάτε τα επόμενα εκατό χιλιάδες και θα είναι κάποιος άλλος. Και τα επόμενα εκατό χιλιάδες, κάποιος άλλος. Όλα όσα χρησίμευαν ως αναφορά. Και δεδομένου ότι όλοι οι άνθρωποι είναι 99, 9 τοις εκατό ίδιοι σε επίπεδο αλληλουχίας, αυτή η πρώτη ακολουθία δεν πρέπει να είναι ένα πραγματικό πρόσωπο. Μπορεί απλά να είναι μια υποθετική αναφορά ενός ατόμου.
Από όλες αυτές τις πληροφορίες, γιατί επιλέξατε να εστιάσετε στο χρωμόσωμα 7 [το ανθρώπινο γονιδίωμα έχει 23 χρωμοσώματα];
Ήταν κάπως αυθαίρετο. Θέλαμε να πάρουμε ένα χρωμόσωμα που δεν ήταν πολύ μεγάλο. Δεν θέλαμε να επιλέξουμε ένα πολύ μικρό. Γνωρίζαμε ότι θα υπάρξει πολλή δουλειά, έτσι επιλέξαμε ένα μεσαίου μεγέθους χρωμόσωμα.
Δεν θέλαμε να επιλέξουμε ένα που είχε πολλούς ανθρώπους να εργάζονται σε αυτό ήδη. Σε εκείνο το σημείο, το πιο διάσημο γονίδιο στο χρωμόσωμα 7 ήταν το γονίδιο κυστικής ίνωσης, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1989. Και είχαμε απομονώσει κάποιες από αυτές τις περιοχές και κάναμε μερικές μελέτες με πιλοτικό τρόπο.
Η αλήθεια είναι ότι το πήραμε επειδή δεν ήταν πολύ μεγάλο, δεν ήταν πολύ μικρό και δεν ήταν πολύ γεμάτο. Αυτός ήταν ένας αυθαίρετος τρόπος για να ξεκινήσετε. μέχρι την ολοκλήρωση του έργου γονιδιώματος, οι περισσότερες από τις μελέτες γίνονταν σε γενικές γραμμές.
Πώς άλλαξε η εργασία κατά τη διάρκεια του έργου;
Η όλη ιστορία της γονιδιωματικής είναι μια τεχνολογική εξέλιξη. Εάν εντοπίσετε τις τεράστιες πρόοδοι που έγιναν, κάθε μία από αυτές συνδέθηκε με τεχνολογικές αυξήσεις. Στις αρχές του έργου γονιδιώματος, το κύμα προήλθε από το γεγονός ότι είχαμε καλύτερους τρόπους απομόνωσης μεγάλων τεμαχίων DNA.
Όταν ακολουθούσαμε γονιδιώματα μικρότερου οργανισμού - όπως οι μύγες φρούτων Drosophila - εμείς βασικά βιομηχανοποιήσαμε τη διαδικασία της αλληλουχίας, καθιστώντας την όλο και πιο αυτοματοποιημένη.
Όταν ξεκίνησε το γονιδιακό έργο, η ιδέα ήταν: "Ας ακολουθήσουμε τα γονιδιώματα των μύγες και των σκουληκιών και των ζυμών, όλων αυτών των μικρότερων οργανισμών, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ημέρας", η οποία αναπτύχθηκε από τον Fred Sanger το 1977. Η ιδέα ήταν ότι δεν θα έσπρωξε τον επιταχυντή για να ξεκινήσει την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος μέχρι να γίνει διαθέσιμη μια επαναστατική νέα μέθοδος προσδιορισμού αλληλουχίας. Έτσι, υπήρξαν πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη νέων τρελών τρόπων αλληλουχίας του DNA.
Όταν ήρθε η ώρα, περίπου το 1997 ή το 1998, να σκεφτεί κανείς ότι άρχισε να ακολουθεί το ανθρώπινο γονιδίωμα, όλοι είπαν: "Ίσως δεν χρειάζεται να περιμένουμε μια επαναστατική μέθοδο, ίσως βελτιώσαμε σταδιακά την παλιομοδίτικη μέθοδο αρκετά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ", και πράγματι αυτό αποφασίστηκε.
Τούτου λεχθέντος, από το έργο γονιδιώματος, το πράγμα που έχει αλλάξει το πρόσωπο της γονιδιωματικής είναι επαναστατικές νέες τεχνολογίες αλληλουχίας που τελικά ήρθαν στη σκηνή περίπου το 2005.
Πώς έχουν αλλάξει αυτές οι βελτιώσεις το κόστος και οι χρόνοι που χρειάζεται για την ανάλυση της αλληλουχίας;
Το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος πήρε έξι έως οκτώ χρόνια ενεργητικής αλληλουχίας και, από την άποψη της ενεργού αλληλουχίας, δαπάνησαν περίπου ένα δισεκατομμύριο δολάρια για να παράγουν την πρώτη ακολουθία ανθρώπινου γονιδιώματος. Την ημέρα που τελείωσε το γονιδιακό πρόγραμμα, ρωτήσαμε τις ομάδες αλληλουχιών μας: "Εντάξει, αν επρόκειτο να ακολουθήσετε μια δεύτερη ανθρώπινη γενεά, υποθετικά, πόσο καιρό θα χρειαζόταν και πόσο θα κόστιζε;" Με το πίσω μέρος του φακέλου υπολόγισαν: "Ουάου, αν μας δώσατε άλλα 10 έως 50 εκατομμύρια δολάρια, θα μπορούσαμε να το πετύχουμε σε τρεις με τέσσερις μήνες".
Αλλά τώρα, αν πάτε στο σημείο που είμαστε σήμερα, μπορείτε να ακολουθήσετε ένα ανθρώπινο γονιδίωμα σε περίπου μια μέρα ή δύο. Μέχρι το τέλος του τρέχοντος έτους, θα είναι περίπου μια μέρα. Και θα κοστίσει μόνο περίπου 3.000 έως 5.000 δολάρια.
Ποια ήταν τα κύρια ευρήματα από το πρώτο γονιδίωμα και αυτά που ακολούθησαν;
Υπάρχουν νέα ευρήματα που έρχονται καθημερινά. Στα πρώτα 10 χρόνια που έχουμε μπροστά μας την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος, νομίζω ότι σε καθημερινή βάση συσσωρεύουμε όλο και περισσότερες πληροφορίες για το πώς λειτουργεί το ανθρώπινο γονιδίωμα. Αλλά πρέπει να αναγνωρίσουμε ότι ακόμα και 10 χρόνια, είμαστε μόνο στα αρχικά στάδια της ερμηνείας αυτής της ακολουθίας. Από δεκαετίες από τώρα θα εξακολουθήσουμε να ερμηνεύουμε και να ερμηνεύουμε το θέμα.
Μερικά από τα πρώτα πράγματα που μάθαμε, για παράδειγμα: Έχουμε πολλά λιγότερα γονίδια από ό, τι είχαν προβλέψει κάποιοι. Όταν ξεκίνησε το γονιδίωμα, πολλοί άνθρωποι πρόβλεψαν ότι οι άνθρωποι είχαν πιθανώς 100.000 γονίδια και θα είχαν ουσιαστικά περισσότερα γονίδια από άλλους οργανισμούς, ιδιαίτερα απλούστερους οργανισμούς. Αποδεικνύεται ότι δεν είναι αλήθεια. Αποδεικνύεται ότι είμαστε πολύ χαμηλότερος αριθμός γονιδίων. Στην πραγματικότητα, μάλλον είμαστε περίπου 20.000 γονίδια. Και αυτό είναι μόνο μερικές χιλιάδες περισσότερο από τις μύγες και τα σκουλήκια. Επομένως, η πολυπλοκότητά μας δεν είναι στον αριθμό γονιδίων μας. Η πολυπλοκότητά μας είναι αλλού.
Η άλλη έκπληξη ήρθε καθώς ξεκινήσαμε την αλληλούχιση άλλων θηλαστικών - ειδικότερα γονιδιώματος ποντικού, γονιδιώματος αρουραίου, γονιδιώματος σκύλου και ούτω καθεξής, και μέχρι τώρα έχουμε αναλύσει τα 50, 60, 70 τέτοια γονιδιώματα. Μπορείτε να ταξινομήσετε αυτές τις ακολουθίες γονιδιώματος σε έναν υπολογιστή και κοιτάτε να δείτε πού είναι αλληλουχίες που είναι πολύ διατηρημένες, με άλλα λόγια σε δεκάδες εκατομμύρια χρόνια εξελικτικής εποχής, όπου οι ακολουθίες δεν έχουν αλλάξει καθόλου. Εξαιρετικά, εξαιρετικά εξελικτικές διατηρημένες αλληλουχίες σχεδόν σίγουρα δείχνουν σε λειτουργικές ακολουθίες. Αυτά είναι πράγματα που η ζωή δεν θέλει να αλλάξει και έτσι τα διατηρούν τα ίδια επειδή κάνουν κάποια ζωτική βασική λειτουργία απαραίτητη για τη βιολογία. Πηγαίνοντας στο έργο του γονιδιώματος, πιστεύαμε ότι η πλειοψηφία αυτών των πιο συντηρημένων περιοχών που ήταν λειτουργικά σημαντικές θα ήταν στα γονίδια-τα μέρη του γονιδιώματος που κωδικοποιούν άμεσα τις πρωτεΐνες. Αποδεικνύεται ότι η πλειονότητα των πλέον συντηρημένων και αναπόφευκτα λειτουργικών αλληλουχιών δεν βρίσκονται σε περιοχές κωδικοποίησης πρωτεϊνών. είναι έξω από τα γονίδια.
Τι κάνουν λοιπόν; Δεν τα γνωρίζουμε όλα. Αλλά γνωρίζουμε ότι πολλοί από αυτούς είναι βασικά διακόπτες κυκλώματος, όπως διακόπτες dimmer για ένα φως, που καθορίζουν πού και πότε και πόσο ένα γονίδιο ενεργοποιείται. Είναι πολύ πιο περίπλοκο στους ανθρώπους από ό, τι στους χαμηλότερους οργανισμούς όπως οι μύγες και τα σκουλήκια. Επομένως, η βιολογική μας πολυπλοκότητα δεν είναι τόσο πολύ στον αριθμό γονιδίων μας. Είναι στους σύνθετους διακόπτες, όπως οι διακόπτες dimmer, που ρυθμίζουν πού, πότε και πόσες γένες ενεργοποιούνται.
Τι αφήσαμε να καταλάβουμε;
Όταν σκέφτεστε πώς λειτουργεί το γονιδίωμα, αυτό σκέφτεται πώς λειτουργεί κανονικά για όλους μας. Αλλά η άλλη μεγάλη έμφαση στη γονιδιωματική - ειδικά τα τελευταία 10 χρόνια - είναι να κατανοήσουμε πώς τα γονιδιώματα μας είναι διαφορετικά. Έτσι, εκεί μπορείτε να δώσετε έμφαση στο 0, 1 τοις εκατό των γονιδιωμάτων μας που είναι διαφορετικά σε σχέση με το ένα το άλλο και πώς αυτές οι διαφορές οδηγούν σε διαφορετικές βιολογικές διεργασίες. Έτσι λοιπόν, η κατανόηση της διακύμανσης είναι πολύ, πολύ σημαντική, και στη συνέχεια συσχετίζεται αυτή η παραλλαγή με διαφορετικές συνέπειες, από τις οποίες η ασθένεια είναι ένα σημαντικό κομμάτι της.
Έχουν υπάρξει αξιοσημείωτες, απλά πραγματικά αξιόλογες εξελίξεις. Γνωρίζουμε τώρα τη γονιδιωματική βάση για περίπου 5.000 σπάνιες γενετικές ασθένειες. Όταν ξεκίνησε το πρόγραμμα γονιδιώματος, υπήρχαν μόνο μερικές δωδεκάδες ασθένειες για τις οποίες κατανοήσαμε τι η μετάλλαξη προκαλούσε αυτή την ασθένεια. Αυτή είναι μια τεράστια διαφορά. Γνωρίζουμε τώρα πολλές, πολλές εκατοντάδες και εκατοντάδες περιοχές του ανθρώπινου γονιδιώματος που περιέχουν παραλλαγές - δεν γνωρίζουμε ποιες παραλλαγές ακόμα - που προσδίδουν κίνδυνο για πιο περίπλοκες γενετικές ασθένειες, όπως η υπέρταση και ο διαβήτης και το άσθμα, οι καρδιαγγειακές παθήσεις κ.ο.κ. .
Έχουμε πάει από την πλήρη έλλειψη γνώσης για το πού να κοιτάξουμε στο γονιδίωμα για τις παραλλαγές αυτές τώρα που έχουν πολύ διακριτές περιοχές για να κοιτάξουμε in. Έτσι, αυτό είναι μια μεγάλη έμφαση τώρα στη γονιδιωματική, προσπαθεί να καταλάβει ποιες παραλλαγές είναι σχετικές με τη νόσο και τι να κάνει γι 'αυτούς.
