Kümmekond aastat tagasi lõpetas rahvusvaheline uurimisrühm ambitsioonika jõupingutuse, et lugeda igas inimese rakus leiduvat 3 miljardit geeniteabe tähte. Inimgenoomi projektina tuntud programm nägi ette inimelu plaan, saavutus, mida on võrreldud inimese maandumisega Kuule.
Dr Eric D. Green oli kaasatud algusest peale, täpsustades mõnda projektis kasutatud võtmetehnoloogiat. Sel ajal oli ta järeldoktorantuur ja patoloogia resident Washingtoni ülikoolis St Louis'is. Ta raiutas välja oma 5 protsenti genoomist, keskendudes 7. kromosoomi DNA kaardistamisele. Green on täna riikliku inimgenoomi uuringute instituudi direktor, kes edendab genoomikauuringute kaudu inimgenoomi mõistmist.
Läheme tagasi 1980ndate keskpaiga poole, kui esmakordselt sündis idee inimgenoomi projektiks. Milline oli toona motivatsioon?
See sõltub sellest, keda te küsite. Erinevatel inimestel olid erinevad motivatsioonid. Pidage meeles, et 70ndad ja 80ndad olid molekulaarbioloogia revolutsiooni ajastu. Meetodite osas tehti märkimisväärseid edusamme, mis võimaldasid meil laboris DNAd isoleerida ja uurida.
Näiteks USA-s huvitas energeetikaosakond väga olulist genoomi uurimise mõistet, kuna tekkis huvi mutatsioonide vastu ja mutatsiooniprotsess, mis on seotud teatud energiavormidega, näiteks tuumaenergiaga.
Kui külastate selliseid kohti nagu riiklikud terviseinstituudid või vaatate biomeditsiini teadlasi ja tervisega seotud teadlasi, olid nad väga huvitatud sellest, kas nad saavad haiguse geneetilist alust selgitada. Nende paljude geneetiliste haiguste seas, mida kaaluti, oli muidugi vähk.
Paljud teised biomeditsiiniliste uuringute spektris osalejad - isegi need, kes töötavad mudelorganismide, näiteks kärbeste, usside ja pärmi - kallal, tõdesid, et kui me suudaksime välja mõelda, kuidas keerukate genoomide kohta põhjalikult vaadata, alustades kärbestest, ussidest ja pärmist, kuid seejärel töötades meie tee inimesteni, annaks see põhilist teavet genoomi toimimise mõistmiseks.
Seal oli palju erinevaid ideid, mis koosnevad suurenevast, kuid olulisest tehnoloogilisest arengust, näitasid, et hirmutavalt on inimgenoomi järjestamise ja 3 miljardi tähe järjekorra määramise probleem teostatav.
Kust pärines genoomiprojekti materjal? Kelle genoom see oli?
Kui genoomiprojekt algas, oli see ikka päris tükkhaaval. Erinevad inimesed tegid erinevaid kollektsioone ja DNA fragmente, mida nimetatakse raamatukogudeks, mis on lihtsalt kloonitud DNA tükid. Nad teeksid seda ükskõik kelle kaudu: Mõnikord on see labori juhataja, mõnikord järeldoktori või astmeüliõpilane. Nad haaraksid DNA-st alles siis, kui sellel tegelikult mingit mõju polnud.
Kuid kui lõpuks jõudis kätte aeg teha raamatukogud, mida hakati kasutama inimese genoomi sekveneerimiseks inimgenoomi projekti järgi, oli nende raamatukogude tegemiseks parim inimene teadur, kes töötas Roswelli pargi vähiinstituudis New Yorgis Buffalos. [Meeskond] sai umbes 10 või 20 anonüümse veredoonori teadliku nõusoleku ja valis juhuslikult ühe neist ja see oli see isik. Ligikaudu 60 protsenti inimese genoomi järjestusest, mis genereeriti inimese genoomi projekti käigus, oli pärit ühelt doonorilt New Yorgis Buffalos.
Kuid teate, see ei oma tähtsust. Kui te lähete mööda inimese genoomi projekti genereeritud genoomi järjestusest, on see nagu mosaiik. Võite minna sada tuhat kirja ja võib olla, et üks inimene, Buffalost. Võib juhtuda, et lähete järgmise saja tuhande hulka ja see on keegi teine. Ja järgmised sada tuhat, keegi teine. Kõik see oli viide. Ja kuna kõik inimesed on jadade tasemel 99, 9 protsenti identsed, ei pea see esimene jada olema päris inimene. See võib olla lihtsalt inimese hüpoteetiline viide.
Miks otsustasite kogu selle teabe põhjal keskenduda 7. kromosoomile [inimese genoomis on 23 kromosoomi]?
See oli mõnevõrra meelevaldne. Tahtsime valida kromosoomi, mis polnud liiga suur. Me ei tahtnud valida liiga väikest. Teadsime, et tööd tuleb palju teha, nii et valisime keskmise suurusega kromosoomi.
Me ei tahtnud valida sellist, mille kallal töötas juba palju inimesi. Sel hetkel oli kõige kuulsam geen 7. kromosoomis tsüstilise fibroosi geen, mis avastati 1989. Ja me olime tegelikult osa sellest piirkonnast isoleerinud ja tegime katseid.
Tõde on see, et valisime selle välja, kuna see polnud liiga suur, polnud liiga väike ega olnud liiga rahvarohke. See oli suvaline viis alustamiseks; selleks ajaks, kui genoomiprojekt lõppes, viidi suurem osa uuringutest läbi kogu genoomi.
Kuidas töö kogu projekti jooksul muutus?
Kogu genoomika lugu on üks tehnoloogia arendamise teemasid. Kui jälgite, kus tohutuid edusamme tehti, seostati neid kõiki tehnoloogia arenguga. Genoomiprojekti alguses tuli juurde see, et meil oli paremad viisid suurte DNA tükkide eraldamiseks.
Kui me sekveneerisime väiksemaid organismi genoome - nagu Drosophila puuviljakärbsed -, siis põhimõtteliselt industrialiseerisime sekveneerimise protsessi, muutes selle järjest automaatsemaks.
Kui genoomiprojekt algas, oli idee järgmine: "Järjestagem kärbeste, usside ja pärmi, kõigi nende väiksemate organismide genoomid päevameetodi abil". Selle meetodi töötas välja Fred Sanger 1977. aastal. Idee oli neil ei lükka kiirendit inimese genoomi sekveneerimise alustamiseks, kuni uue revolutsioonilise sekveneerimismeetodi saab kätte. Niisiis oli palju pingutusi, et välja töötada uusi hullumeelseid viise DNA sekveneerimiseks.
Kui tuli aeg, umbes 1997. või 1998. aastal, mõelda inimese genoomi järjestuse loomise peale, ütlesid kõik: „Võib-olla ei pea me ootama revolutsioonilist meetodit, võib-olla oleme vanamoodsat meetodit järk-järgult täiustanud. piisavalt, et seda saaks kasutada ”, ja just nii otsustati.
Sellegipoolest on genoomiprojektist alates muutunud genoomika nägu revolutsioonilisteks uuteks järjestamistehnoloogiateks, mis lõpuks sündisid umbes 2005. aastaks.
Kuidas on need parandused muutnud kulusid ja järjestamiseks kuluvat aega?
Inimese genoomi projektil kulus aktiivse järjestamise jaoks kuus kuni kaheksa aastat ja aktiivse sekveneerimise osas kulutasid nad inimese esimese genoomi esimese järjestuse tootmiseks umbes miljard dollarit. Päeval, mil genoomiprojekt lõppes, küsisime oma sekveneerimisrühmadelt: “Hea küll, kui te läheksite hüpoteetiliselt teise inimese genoomi sekveneerima, kui kaua see aega võtaks ja kui palju see maksma läheks?” Ümbriku tagaküljel Arvestades, ütlesid nad: "Vau, kui te annaksite meile veel 10 kuni 50 miljonit dollarit, saaksime seda tõenäoliselt teha kolme kuni nelja kuuga."
Kuid nüüd, kui lähete kohta, kus me täna oleme, saate inimese genoomi järjestada umbes päeva või kahe pärast. Selle aasta lõpuks on käes umbes päev. Ja see maksab ainult umbes 3000–5000 dollarit.
Millised olid peamised leiud esimesest genoomist ja järgnevad?
On uusi leide, mida tuleb iga päev. Esimese kümne aasta jooksul, kui meis on olnud inimese genoomi järjestus, koguneb minu arvates päevast päeva järjest rohkem teavet selle kohta, kuidas inimese genoom töötab. Kuid me peaksime mõistma, et isegi kümme aastat pärast seda tõlgendamist oleme alles algusjärgus. Aastakümnete pärast tõlgendame ja tõlgendame seda ikkagi.
Mõned varasematest asjadest, mida me teada saime, näiteks: meil on palju vähem geene, kui mõned inimesed olid ennustanud. Kui genoom algas, ennustasid paljud inimesed, et inimestel on tõenäoliselt 100 000 geeni ja neil oleks oluliselt rohkem geene kui teistel organismidel, eriti lihtsamatel organismidel. Selgub, et see pole tõsi. Selgub, et me oleme palju madalam geeninumber. Tegelikult oleme ilmselt rohkem nagu 20 000 geeni. Ja seda on vaid paar tuhat rohkem kui kärbseid ja usse. Seega pole meie keerukus meie geeninumbris. Meie keerukus on mujal.
Teine üllatus tuli siis, kui hakkasime järjestama teisi imetajaid - eriti hiire genoomi, roti genoomi, koera genoomi ja nii edasi, ja praeguseks oleme järjestanud 50, 60, 70 sellist genoomi. Te rivistate need genoomijärjestused arvutisse ja näete, kus on väga konservatiivsed järjestused, teisisõnu kümnete miljonite aastate evolutsiooniaja jooksul, kus järjestused pole üldse muutunud. Kõrgelt arenenud, konserveerunud järjestused viitavad funktsionaalsetele järjestustele peaaegu kindlalt. Need on asjad, mida elu ei taha muuta ja seetõttu hoiavad nad neid sama, kuna nad täidavad mõnda bioloogiliselt vajalikku põhifunktsiooni. Genoomiprojekti minnes arvasime, et enamus funktsionaalselt olulistest kõige konserveeritumatest piirkondadest asuvad geenides - genoomi osades, mis kodeerivad otseselt valke. Selgub, et enamik kõige konserveeritumaid ja paratamatult funktsionaalseid järjestusi ei asu valku kodeerivas piirkonnas; nad asuvad väljaspool geene.
Mida nad siis teevad? Me ei tea neid kõiki. Kuid me teame, et paljud neist on põhimõtteliselt lülituslülitid, näiteks tule hämarad lülitid, mis määravad, kus ja millal ja kui palju geen sisse lülitatakse. Inimestel on see palju keerukam kui madalamates organismides nagu kärbsed ja ussid. Nii et meie bioloogiline keerukus pole mitte niivõrd meie geeninumbris. Just keerulised lülitid, nagu hämarlülitid, reguleerivad seda, kus, millal ja kui palju geene sisse lülitatakse.
Mida on meil jäänud välja mõelda?
Kui mõelda, kuidas genoom töötab, siis mõelda, kuidas see töötab kõigi meie jaoks ühiselt. Kuid genoomika teine suur rõhk - eriti viimase 10 aasta jooksul - on mõista, kuidas meie genoomid erinevad. Nii saate siin rõhutada 0, 1 protsenti meie genoomidest, mis on üksteisega võrreldes erinevad, ja kuidas need erinevused põhjustavad erinevaid bioloogilisi protsesse. Seega on variatsiooni mõistmine väga, väga oluline ja selle variatsiooni seostamine erinevate tagajärgedega, millest haigus on suur osa.
On tehtud märkimisväärseid, lihtsalt tõeliselt tähelepanuväärseid edusamme. Nüüd teame peaaegu 5000 haruldase geneetilise haiguse genoomset alust. Kui genoomiprojekt algas, oli vaid paar tosinat haigust, mille kohta saime aru, mis mutatsioon selle haiguse põhjustas. See on tohutu erinevus. Nüüd teame paljusid, sadu ja sadu inimgenoomi piirkondi, mis sisaldavad variante - me ei tea veel, milliseid variante -, mis seovad riski keerukamate geneetiliste haiguste tekkeks, näiteks hüpertensioon ja diabeet ning astma, südame-veresoonkonna haigused ja nii edasi. .
Kuna meil pole täielikku teadmist nende variantide genoomist, on meil nüüd väga diskreetsed piirkonnad, kuhu uurida. Nii et see on praegu genoomikas suur rõhk, püüame mõista, millised variandid on haiguse jaoks olulised ja mida nende vastu teha.
