Prije desetak godina, međunarodni istraživački tim završio je ambiciozni napor da pročita 3 milijarde pisama genetskih podataka koje se nalaze u svakoj ljudskoj stanici. Program, poznat kao Projekt Ljudski genom, pružio je nacrt ljudskog života, dostignuće koje je uspoređeno sa slijetanjem čovjeka na Mjesec.
Dr. Eric D. Green bio je uključen od samog početka, usavršavajući neke ključne tehnologije koje se koriste u projektu. U to je vrijeme bio postdoktorski stipendist i rezident patologije na Sveučilištu Washington u St. Louisu. Iscrtao je svojih 5 posto genoma, usredotočujući se na mapiranje DNK kromosoma 7. Danas je Green direktor Nacionalnog instituta za istraživanje ljudskog genoma, koji napreduje u razumijevanju ljudskog genoma putem istraživanja genomike.
Vratimo se na sredinu do kraja 1980-ih, kada je ideja za projekt ljudskog genoma prvi put zamišljena. Koja je bila motivacija u to vrijeme?
Ovisi koga pitaš. Različiti ljudi imali su različite motivacije. Imajte na umu da su sedamdesete i rane osamdesete bile doba revolucije molekularne biologije. Došlo je do značajnog napretka u metodama koje su nam omogućile izoliranje i proučavanje DNK u laboratoriju.
U SAD-u, na primjer, Ministarstvo energetike postalo je vrlo zainteresirano za pojam proučavanja genoma zbog interesa mutacije i procesa mutacije koji su povezani s nekim oblicima energije, poput nuklearne energije.
Ako odete na mjesta poput Nacionalnih instituta za zdravlje ili pogledate biomedicinske istraživače i istraživače vezane za zdravlje, bili su vrlo zainteresirani kako bi mogli objasniti genetsku osnovu bolesti. Među mnogim genetskim bolestima koje su se razmatrale, naravno, bio je i rak.
Mnogo drugih ljudi iz biomedicinskog spektra istraživanja - čak i oni koji rade na modelnim organizmima, poput muva i crva i kvasca - prepoznali su da ako bismo mogli smisliti kako sveobuhvatno gledati na složene genome, počevši od muva i crva, a zatim radeći naš put do čovjeka, pružio bi temeljne informacije za razumijevanje kako genom djeluje.
Došlo je do spajanja mnoštva različitih ideja koje su, zahvaljujući pozadini inkrementalnog, ali važnog tehnološkog napretka, činile da je, iako zastrašujući, problem sljedovanja ljudskog genoma i određivanja redoslijeda od 3 milijarde slova izvediv.
Odakle je materijal za projekt genoma? Čiji je to bio genom?
Kad je projekt genoma započeo, to je još uvijek bio prilično komadan. Različiti ljudi izrađivali su različite zbirke i fragmente DNK nazvane knjižnice, koje su samo komadići DNK klonirani. Učinili bi to od bilo koga: Ponekad bi to bila voditeljica laboratorija, nekad to postdoktorski student ili student. Uhvatili bi DNK tada kad zapravo ne bi imali nikakvih implikacija.
Ali tada, kad je konačno došlo vrijeme da se biblioteke koje će se koristiti za sekvenciranje ljudskog genoma naprave Human Genome Project, osoba koja je bila najbolja osoba za izradu tih biblioteka bio je znanstvenik koji je radio u Institutu za rak Roswell Park u Buffalo, New York. [Tim] je dobio informirani pristanak od oko 10 ili 20 anonimnih davatelja krvi, a zatim nasumično odabrao jednog od njih i to je bila osoba. Oko 60 posto sekvence ljudskog genoma stvoreno projektom ljudskog genoma dobiveno je od jednog davatelja krvi iz Buffala u New Yorku.
Ali, znate što, nije važno. Ako naiđete na sekvencu ljudskog genoma koju je stvorio Projekt Ljudski genom, to je poput mozaika. Možda idete stotinu tisuća pisama, a možda je to i jedna osoba iz Buffala. Moglo bi se završiti da ideš sljedećih stotinu tisuća i da će to biti netko drugi. I sljedećih stotinu tisuća, netko drugi. Sve je to poslužilo kao referenca. A budući da su svi ljudi 99, 9 posto identični na razini sekvence, taj prvi slijed ne mora biti stvarna osoba. To može biti samo hipotetička referenca na osobu.
Od svih tih podataka, zašto ste se odlučili fokusirati na kromosom 7 [ljudski genom ima 23 kromosoma]?
Bilo je to nekako proizvoljno. Željeli smo odabrati kromosom koji nije bio prevelik. Nismo željeli odabrati onaj koji je premali. Znali smo da će biti puno posla, pa smo odabrali kromosom srednje veličine.
Nismo željeli odabrati onu na kojoj je već puno ljudi radilo. U tom je trenutku najpoznatiji gen na kromosomu 7 bio gen za cističnu fibrozu, a to je otkriveno 1989. godine. I mi smo zapravo izolirali dio te regije i radili smo neka istraživanja na pilot način.
Istina je da smo je odabrali jer nije bila prevelika, ne premala i nije bila prenapučena. To je bio proizvoljan način za početak; do završetka projekta genoma, većina je studija provedena na razini genoma.
Kako se rad promijenio tijekom vijeka trajanja projekta?
Čitava priča o genomiki jedna je od tehnoloških razvoja. Ako pratite gdje su postignuti ogromni pomaci, svaki od njih bio je povezan s naletima tehnologije. U ranom projektu genoma, nalet je došao do toga da imamo bolje načine izolacije velikih komada DNK.
Kad smo radili sekvenciranje manjih genoma organizma - poput voćnih muha drosophila - u osnovi smo industrijalizirali proces izvođenja sekvenciranja, čineći ga sve većim i sve automatiziranijim.
Kada je započeo projekt genoma, ideja je glasila: „Slijedimo genome muha, crva i kvasca, sve ove manje organizme, primjenom današnje metode“, koju je ovu metodu razvio Fred Sanger 1977. godine. Ideja je bila da ne bi gurnuo akcelerator da započne sekvenciranje ljudskog genoma sve dok nova revolucionarna metoda sekvenciranja nije postala dostupna. Dakle, bilo je mnogo napora da se razviju novi ludi načini sekvenciranja DNK.
Kad je došlo vrijeme, otprilike 1997. ili 1998. godine, da zapravo razmislimo o tome kako započeti sekvenciranje ljudskog genoma, svi su rekli: „Možda ne trebamo čekati revolucionarnu metodu, možda smo postupno poboljšali staromodnu metodu dovoljno da se može koristiti ", i doista je to odlučeno.
To je rečeno, od projekta genoma, stvar koja je promijenila lice genomike bile su nove revolucionarne nove tehnologije za sekvenciranje koje su napokon izašle na scenu oko 2005. godine.
Kako su ta poboljšanja promijenila cijenu i vrijeme potrebno za sekvenciranje?
Projekt Ljudski genom trajao je šest do osam godina aktivnog sekvenciranja, a u smislu aktivnog sekvenciranja, potrošili su oko milijardu dolara za proizvodnju prvog niza ljudskog genoma. Na dan kad je projekt za genom završio, pitali smo naše skupine za sekvenciranje: "U redu, ako idete slijediti drugi ljudski genom, hipotetski, koliko bi to trajalo i koliko će koštati?" Na poleđini omotnice Izračun, rekli su: "Vau, da ste nam dali još 10 do 50 milijuna dolara, vjerojatno bismo to mogli učiniti za tri do četiri mjeseca."
Ali sada, ako odete tamo gdje smo danas, možete slijediti ljudski genom za otprilike dan ili dva. Do kraja ove godine proći će oko jedan dan. A koštat će samo oko 3000 do 5000 dolara.
Koji su glavni nalazi prvog genoma i oni koji su uslijedili?
Postoje novi nalazi koji dolaze svakodnevno. Mislim da u prvih 10 godina postojanja sekvence ljudskog genoma pred nama svakodnevno skupljamo sve više i više informacija o funkcioniranju ljudskog genoma. Ali trebali bismo priznati da smo i prije desetak godina tek u ranoj fazi tumačenja tog slijeda. Desetljeća od sada ćemo to još tumačiti i reinterpretirati.
Neke od najranijih stvari koje smo naučili, na primjer: Imamo mnogo manje gena nego što su neki ljudi predvidjeli. Kad je genom počeo, mnogi su predviđali da ljudi vjerojatno imaju 100 000 gena i da će imati znatno više gena od ostalih organizama, posebno jednostavnijih organizama. Ispada da to nije istina. Ispada da smo puno manji broj gena. Zapravo, vjerojatno smo više poput 20 000 gena. A to je samo nekoliko tisuća više od muha i crva. Dakle, naša složenost nije u našem broju gena. Naša složenost je drugdje.
Drugo iznenađenje uslijedilo je kad smo započeli sljeđivanje drugih sisavaca - posebno, genom miša, genom štakora, pas genom i tako dalje, a do sada smo sekvencionirali 50, 60, 70 takvih genoma. Poredate sekvence genoma u računalo i gledate gdje su sekvence koje su vrlo očuvane, drugim riječima kroz desetke milijuna godina evolucijskog vremena, gdje se sekvence uopće nisu promijenile. Visoko, visoko evolucijski sačuvani nizovi gotovo sigurno ukazuju na funkcionalne sekvence. To su stvari koje se život ne želi mijenjati i zato ih održavaju isti jer rade neke vitalne temeljne funkcije neophodne za biologiju. Ulazeći u projekt genoma, mislili smo da će većina onih najčuvanijih regija koja su funkcionalno važna biti u genima - dijelovima genoma koji izravno kodiraju proteine. Ispada da većina najviše sačuvanih i neizbježno funkcionalnih sekvenci nije u regijama koje kodiraju proteine; oni su izvan gena.
Pa što oni rade? Ne znamo ih sve. Ali znamo da su mnogi od njih u osnovi sklopke sklopke, poput prigušivača za osvjetljenje, koje određuju gdje i kada i koliko se gen uključuje. Kod ljudi je mnogo složenije nego u nižim organizmima poput muha i crva. Dakle, naša biološka složenost nije toliko u našem broju gena. U kompleksnim prekidačima, poput dimmer prekidača, regulira se gdje, kada i koliko se geni uključuju.
Što nam preostaje da shvatimo?
Kada razmišljate o tome kako genom radi, to je razmišljanje o tome kako on funkcionira uobičajeno za sve nas. Ali drugi veliki naglasak genomike - posebno u zadnjih 10 godina - jest razumjeti u čemu se naši genomi razlikuju. Dakle, tamo možete naglasiti 0, 1 posto naših genoma koji su različiti u usporedbi jedni s drugima i kako te razlike dovode do različitih bioloških procesa. Dakle, razumijevanje varijacije je vrlo, vrlo važno, a zatim povezujemo tu varijaciju s različitim posljedicama, od kojih je glavni dio bolesti.
Došlo je do izvanrednog, upravo uistinu izvanrednog napretka. Sada znamo genomsku osnovu za gotovo 5000 rijetkih genetskih bolesti. Kada je započeo projekt genoma, postojalo je samo nekoliko desetaka bolesti za koje smo razumjeli što mutacija uzrokuje tu bolest. To je ogromna razlika. Sada znamo mnoge, mnoge stotine i stotine regija ljudskog genoma koja sadrže varijante - još ne znamo koje varijante - koje daju rizik od složenijih genetskih bolesti, poput hipertenzije i dijabetesa, astme, kardiovaskularnih bolesti itd.,
Krenuli smo od potpunog nepoznavanja gdje potražiti genom za te varijante, do sada imaju vrlo diskretne regije na koje treba gledati. Dakle, ovo je sada veliki naglasak u genomici, pokušava se razumjeti koje su varijante relevantne za bolest i što učiniti s njima.
