În urmă cu un deceniu, o echipă internațională de cercetare a finalizat un efort ambițios pentru a citi cele 3 miliarde de scrisori de informații genetice găsite în fiecare celulă umană. Programul, cunoscut sub numele de Proiectul genomului uman, a furnizat modelul pentru viața umană, o realizare care a fost comparată cu aterizarea unui om pe lună.
Dr. Eric D. Green a fost implicat de la bun început, perfecționând unele dintre tehnologiile cheie utilizate în proiect. La acel moment, era coleg postdoctoral și rezident în patologie la Universitatea Washington din St. Louis. El și-a sculptat 5% din genom, concentrându-se pe cartografierea ADN-ului cromozomului 7. Astăzi, Green este directorul Institutului Național de Cercetare a Genomului Uman, care avansează înțelegerea genomului uman prin cercetarea genomică.
Hai să ne întoarcem la mijlocul până la sfârșitul anilor 1980, când a fost concepută pentru prima dată ideea pentru Proiectul Genomului Uman. Care a fost motivația la acea vreme?
Depinde cine întrebi. Oameni diferiți au avut motivații diferite. Rețineți că anii '70 și '80 'au fost epoca revoluției biologiei moleculare. Au fost înregistrate progrese semnificative în metodele care ne-au permis să izolăm și să studiem ADN-ul în laborator.
În SUA, de exemplu, Departamentul de Energie a fost foarte interesat de noțiunea de a studia genomul din cauza interesului pentru mutație și de procesul de mutație asociat cu unele forme de energie, cum ar fi energia nucleară.
Dacă mergeți în locuri precum Institutele Naționale de Sănătate, sau vă uitați la cercetători biomedicali și cercetători în domeniul sănătății, au fost foarte interesați să poată elucida baza genetică a bolii. Printre numeroasele boli genetice care au fost considerate, desigur, a fost cancerul.
O mulțime de alte persoane din spectrul cercetării biomedicale - chiar și cele care lucrează pe organisme model, precum muștele, viermii și drojdia - au recunoscut că, dacă ne-am putea da seama cum să privim în mod cuprinzător genomele complexe, începând cu muștele, viermii și drojdia, dar apoi lucrând drumul nostru către oameni, ar oferi informații fundamentale pentru înțelegerea modului de funcționare a genomului.
A existat o coalescență de o mulțime de idei diferite care, pe fondul de a avea progrese tehnologice incrementale, dar importante, au făcut să pară că, în timp ce descurajant, problema secvențierii genomului uman și determinarea ordinii a 3 miliarde de scrisori era posibilă.
De unde a venit materialul pentru proiectul genomului? Al cui genom a fost?
Când a început proiectul genomului, era încă destul de bucată. Diferite persoane făceau diferite colecții și fragmente de ADN numite biblioteci, care sunt doar bucăți de ADN clonate. Ar face-o de la oricine: Uneori ar fi șeful de laborator, alteori ar fi colegul postdoctoral sau studentul grad. Ei ar apuca doar ADN-ul atunci când nu au existat cu adevărat implicații în acest sens.
Dar atunci, când a venit momentul să creăm bibliotecile care urmau să fie utilizate pentru secvențializarea genomului uman de către Proiectul genomului uman, persoana care a fost cea mai bună persoană pentru realizarea acestor biblioteci a fost un om de știință care a lucrat la Roswell Park Cancer Institute. în Buffalo, New York. [Echipa] a primit consimțământul informat de la aproximativ 10 sau 20 de donatori anonimi de sânge, apoi i-a ales pe unul dintre aceia la întâmplare, iar aceasta a fost persoana. Aproximativ 60% din secvența genomului uman generat de Proiectul genomului uman a provenit de la un donator de sânge în Buffalo, New York.
Dar, știi ce, nu contează. Dacă parcurgeți secvența genomului uman generat de Proiectul genomului uman, este ca un mozaic. Poți să ceri o sută de mii de scrisori și poate fi vorba de o singură persoană, din Buffalo. S-ar putea sfârși prin faptul că vei merge în următoarea sută de mii și va fi altcineva. Și următoarea sută de mii, altcineva. Tot ce a servit a fost o referință. Și întrucât toți oamenii sunt 99, 9 la sută identici la nivel de secvență, acea primă secvență nu trebuie să fie o persoană reală. Poate fi doar o referință ipotetică a unei persoane.
Din toate aceste informații, de ce ați ales să vă concentrați pe cromozomul 7 [genomul uman are 23 de cromozomi]?
A fost oarecum arbitrar. Am vrut să alegem un cromozom care nu era prea mare. Nu am vrut să alegem unul prea mic. Știam că va fi multă muncă, așa că am ales un cromozom de talie mijlocie.
Nu am vrut să alegem unul care avea o mulțime de oameni care lucrează deja la el. În acel moment, cea mai cunoscută genă de pe cromozomul 7 a fost gena fibrozei chistice și asta a fost descoperită în 1989. Și de fapt am izolat o parte din acea regiune și făceam niște studii în mod pilot.
Adevărul este că l-am ales pentru că nu era prea mare, nu era prea mic și nu era prea aglomerat. Acesta a fost un mod arbitrar de a începe; până când s-a încheiat proiectul genomului, majoritatea studiilor au fost făcute pe tot parcursul genomului.
Cum s-a schimbat munca de-a lungul vieții proiectului?
Întreaga poveste despre genomică este una de dezvoltare a tehnologiei. Dacă urmărești unde s-au înregistrat progrese uriașe, fiecare dintre ele a fost asociat cu majorarea tehnologiei. La începutul proiectului genomului, a apărut că am avut modalități mai bune de a izola bucăți mari de ADN.
Când secvențiem genomii mai mici ai organismului - cum ar fi muștele fructelor Drosophila - practic am industrializat procesul de realizare a secvențierii, făcându-l din ce în ce mai automatizat.
Când a început proiectul genomului, ideea a fost: „Să secvențiem genomele muștelor, viermilor și drojdiei, toate aceste organisme mai mici, folosind metoda zilei”, care a fost această metodă dezvoltată de Fred Sanger în 1977. Ideea era că nu ar împinge acceleratorul să înceapă secvențializarea genomului uman până când o nouă metodă revoluționară de secvențiere a devenit disponibilă. Așa că au fost multe eforturi pentru a dezvolta noi modalități nebune de secvențiere a ADN-ului.
Când a venit momentul, în jurul anului 1997 sau 1998, să ne gândim de fapt la a începe să secvențiem genomul uman, toată lumea a spus: „Poate că nu trebuie să așteptăm o metodă revoluționară, poate am îmbunătățit treptat metoda veche. suficient încât să poată fi folosit ”, și, într-adevăr, s-a decis acest lucru.
Acestea fiind spuse, de la proiectul genomului, lucrul care a schimbat fața genomicii a fost revoluționarea noilor tehnologii de secvențare care au ajuns în cele din urmă pe scena până în 2005.
Cum au modificat acele îmbunătățiri costurile și timpul necesar pentru secvențiere?
Proiectul genomului uman a necesitat șase-opt ani de secvențiere activă și, în ceea ce privește secvențializarea activă, au cheltuit aproximativ un miliard de dolari pentru a produce prima secvență a genomului uman. În ziua în care s-a încheiat proiectul genomului, am întrebat grupurile noastre de secvențiere: „Bine, dacă ai de gând să urmezi un al doilea genom uman, ipotetic, cât timp va dura și cât ar costa?” Cu spatele plicului. ei au spus: „Uau, dacă ne-ai da încă 10 - 50 de milioane de dolari, probabil am putea face în trei-patru luni”.
Dar acum, dacă mergeți acolo unde ne aflăm astăzi, puteți secvența un genom uman în aproximativ o zi sau două. Până la sfârșitul acestui an, va fi aproximativ o zi. Și va costa doar aproximativ 3.000 până la 5.000 de dolari.
Care au fost principalele descoperiri ale primului genom și ale celor care au urmat?
Există noi descoperiri care apar zilnic. În primii 10 ani după ce am avut în fața noastră secvența genomului uman, cred că, de la o zi la alta, acumulăm tot mai multe informații despre modul în care funcționează genomul uman. Dar ar trebui să recunoaștem că, chiar și în 10 ani, nu suntem decât în primele etape ale interpretării acestei secvențe. Decenii de acum vom interpreta și reinterpreta.
Unele dintre cele mai vechi lucruri pe care le-am învățat, de exemplu: Avem multe mai puține gene decât au prevăzut unii oameni. Când a început genomul, mulți oameni au prezis că oamenii au probabil 100.000 de gene și că vor avea în mod substanțial mai multe gene decât alte organisme, în special organisme mai simple. Se pare că nu este adevărat. Se dovedește că suntem un număr de gene mult mai mic. De fapt, probabil suntem mai mult ca 20.000 de gene. Și asta este doar câteva mii decât muște și viermi. Deci complexitatea noastră nu se află în numărul de gene. Complexitatea noastră este în altă parte.
Cealaltă surpriză a apărut în timp ce am început secvențializarea altor mamifere - în special, genomul șoarecilor, genomul de șobolan, genomul câinilor și așa mai departe, iar până acum am secvențiat 50, 60, 70 de astfel de genomi. Aliniați acele secvențe de genom într-un computer și căutați să vedeți unde sunt secvențele care sunt foarte conservate, cu alte cuvinte pe parcursul a zeci de milioane de ani de timp evolutiv, unde secvențele nu s-au schimbat deloc. Secvențe conservate extrem de evolutiv aproape sigur indică secvențe funcționale. Acestea sunt lucruri pe care viața nu vrea să le schimbe și, prin urmare, le păstrează la fel, deoarece îndeplinesc unele funcții fundamentale vitale necesare biologiei. Intrând în proiectul genomului, ne-am gândit că majoritatea regiunilor cele mai conservate care erau importante din punct de vedere funcțional vor fi în gene - părțile genomului care codifică direct proteinele. S-a dovedit că majoritatea secvențelor cele mai bine conservate și inevitabil funcționale nu se află în regiunile de codificare a proteinelor; sunt în afara genelor.
Deci ce fac? Nu le știm pe toate. Știm însă că multe dintre ele sunt în principiu comutatoare de circuit, cum ar fi comutatoarele cu dimmer pentru o lumină, care determină unde și când și cât de mult se activează o genă. La om este mult mai complicat decât la organismele inferioare, precum muștele și viermii. Deci complexitatea noastră biologică nu este atât de mare în numărul de gene. Este în comutatoarele complexe, cum ar fi comutatoarele cu dimmer, care reglează unde, când și cât de multe gene sunt activate.
Ce ne-a mai rămas să ne dăm seama?
Când te gândești la modul în care funcționează genomul, asta te gândești la modul în care funcționează în mod obișnuit pentru noi toți. Dar celălalt accent major în genomică - în special în ultimii 10 ani - este să înțelegem cum diferă genomii noștri. Așadar, puteți sublinia 0, 1 la sută din genomii noștri diferiți unul față de celălalt și cum aceste diferențe duc la procese biologice diferite. Așadar, înțelegerea variației este foarte, foarte importantă și apoi corelarea acestei variații cu consecințe diferite, din care boala este o parte majoră a acesteia.
S-au înregistrat progrese remarcabile, doar cu adevărat remarcabile. Știm acum baza genomică pentru aproape 5.000 de boli genetice rare. Când a început proiectul genomului, au existat doar câteva zeci de boli pentru care am înțeles ce mutație a cauzat acea boală. Aceasta este o diferență uriașă. Știm acum multe, multe sute și sute de regiuni ale genomului uman care conțin variante - nu știm încă ce variante - care conferă risc pentru boli genetice mai complicate, cum ar fi hipertensiunea și diabetul și astmul, boli cardiovasculare ș.a. .
Am plecat de la o lipsă completă de cunoștințe de unde să căutăm genomul pentru ca aceste variante să aibă acum regiuni foarte discrete pentru a privi. Așadar, acest lucru este un accent mare acum în genomică, încearcă să înțeleagă ce variante sunt relevante pentru boală. și ce să faci despre ei.
