Az emberi genom dekódolása. A Human Genome Project céljai, célkitűzései és eredményei A Human Genome Project céljai, célkitűzései és eredményei

Az első dolog, amit Debbie Jorde észrevett újszülött lányán, a természetellenesen hajlított karja volt. De más fejlődési rendellenességei is voltak: szájpadhasadék, nyolc ujja, nyolc lábujja és nem volt alsó szemhéja. A gyermeknél Miller-szindrómát diagnosztizáltak, ami olyan ritka betegség, hogy az orvosok sokáig azt hitték, hogy ez nem terjed nemzedékről nemzedékre, hanem csak spontán mutációk következtében alakult ki. Debbie Jord három évvel korábban született fiának ugyanezek a tünetei voltak. Az orvosok biztosították, hogy egy a millióhoz a valószínűsége annak, hogy második gyermekük születik ugyanilyen szindrómában. De tévedtek.

Debbie Lynn Jorde férje, a Utah Egyetem (Salt Lake City, USA) genetikusa még emlékszik azokra az orvosokra, akik szerint túl kevés adat áll rendelkezésre a betegségről ahhoz, hogy előre jelezzék a kialakulásának kockázatát.

A következő generációs szekvenálásnak köszönhetően Debbie és gyermekei ismerik genetikai kockázatukat. Debbie, férje és két felnőtt gyermeke, Heather és Logan Madsen lett az első család, amelynek genomját 2009-ben teljesen szekvenálták.

6 hónap leforgása alatt a tudósok 4 genomból származó hatalmas számú DNS-szekvencia keresztanalízisét végezték el. Más Miller-szindrómás betegek genomjának párhuzamos szekvenálása lehetővé tette a betegség kialakulásáért felelős gén azonosítását. Kiderült, hogy ez egy gén DHODH, amely a nukleotid szintézisben részt vevő fehérjét kódol. Kiderült, hogy a betegség recesszív öröklődésű. Ebben az esetben mindkét szülő a gén egy-egy mutáns másolatának hordozója volt, így 25% volt a beteg gyermek esélye. A genetikai elemzés lehetővé tette egy másik recesszív örökletes betegség azonosítását gyermekeknél - a primer ciliáris diszkinéziát, amely befolyásolja a tüdő fejlődését. "Ezelőtt nem tudtuk megérteni, hogy a gyerekek miért kapnak ilyen gyakran tüdőgyulladást.", mondja Debbie.

Az olyan családok, mint a Jordok, egy kis, de egyre növekvő, többnyire ritka betegségben szenvedő emberek csoportját alkotják, akiknek genomját egy adott betegség diagnosztizálása és tanulmányozása céljából szekvenálták. Bár a teljes DNS-szekvencia ismerete nem befolyásolta Heather és Logan kezelését, sok ember genomját szekvenálják erre a célra. Tavaly egy fiú Wisconsinból (USA) kapott életmentő vörös csontvelő-transzplantációt a szekvenálási eredmények alapján. Leukémiában szenvedő nőknél, valamint egy ritka örökletes betegségben szenvedő ikreknél a szekvenálási eredmények segítettek megfelelő kezelést előírni (lásd).

Eddig csak olyan emberek szekvenálhatták meg a genomjukat, akik személyesen ismerték a klinikai genetika iránt érdeklődő tudósokat, vagy olyan családokat, akik olyan nagyon ritka betegségekben szenvedtek, mint a Jord-féle. De most, ahogy a teljes genom szekvenálás olcsóbbá és elérhetőbbé válik, világszerte klinikai programokat indítanak a szekvenált szekvenciák elemzésére. Vállalat Illumina(San Diego, USA), amely szekvenátorokat és azok feldolgozására szolgáló szoftvereket árul, teljes genom szekvenálási szolgáltatást kínál mindössze 7500 dollárért súlyos örökletes betegségben szenvedőknek, és 10 000 dollárért a rákos betegeknek, akiknek rákos és egészséges sejtek genomját kell szekvenálniuk. .

Ahogy a szekvenálási árak továbbra is esnek, a teljes genomok szekvenálása és elemzése hamarosan a mágneses rezonancia képalkotáshoz (MRI) fog hasonlítani. „Olyan egyszerű lesz, mint bármely más orvosi vizsgálat, mondja David Bick, az USA-beli Wisconsini Medical College klinikai genetikusa. A legtöbb orvosi teszt eredményétől eltérően azonban a genomszekvenálás hatalmas mennyiségű, nehezen értelmezhető adatot szolgáltat majd, amelyek közül nem mindegyikre lesz szükség a beteg betegségének diagnosztizálásához vagy kezeléséhez. Ezenkívül a páciens nemkívánatos információkat kap bizonyos más betegségekre való hajlamról.".

„A genomok elemzése, valamint a betegek és családjaik tanácsadása túl nagy terhet róhat a klinikusokra. Amit néhány betegen teszteltek, nem lehet azonnal széleskörű klinikai felhasználásra fordítani."" - mondja Eric Green, a National Human Genome Research Institute (NHGRI) igazgatója Bethesdában (USA). Bár néhány egyedi eset nagyon tájékoztató jellegű".

Nicholas Volker egy nem diagnosztizált bélbetegséggel született, amely időszakos sipolyok kialakulásához vezetett, amelyek folyamatos műtétet igényeltek. Volker 3 éves koráig több mint 100 műtéten esett át. Az orvosok azt feltételezték, hogy a gyermek immunhiányos, és a vörös csontvelő-átültetés lenne a megfelelő megoldás a problémára. De számos teszt, köztük több gén szekvenálása, nem erősítette meg a diagnózist. Hosszas vita után a Wisconsini Orvostudományi Egyetem tudósaiból álló csapat úgy döntött, hogy megszekvenálják az exomját – azokat a szekvenciákat, amelyek közvetlenül kódolják az RNS-molekulákat, és a genom 1-2%-át teszik ki.

A szekvenciák speciális programokkal történő vizsgálata után a tudósok mutációt azonosítottak a gén X-kromoszómájában. XIAP(X-kapcsolt apoptózis inhibitor). Ismeretes, hogy az e gén által kódolt fehérje hiánya nagy kockázatot jelent egy fatális immunbetegség kialakulására, és ebben az esetben egyszerűen szükséges a vörös csontvelő-transzplantáció.

Az első összehasonlító teljes genom szekvenálási programot a Wisconsini Medical College-ban hozták létre. A Főiskola klinikai genetikusai jelenleg a ritka örökletes betegségben szenvedő betegekre összpontosítják figyelmüket, akiknél a genetikai rendellenességek azonosítása segíthet a kezelési rend meghatározásában. Néhány beteg esetében, akik részt vettek a programban, a biztosítótársaságok vállalták a költségeket. „Az indoklásuk meglehetősen egyszerű., mondja Tina Hambuch, a cég klinikai laboratóriumának főfejlesztője Illumina, - "A teljes genom szekvenálása olcsóbb lehet, mint egy sor genetikai teszt, és segíthet annak tisztázásában, hogy szükség lesz-e drága kezelésekre.".

Más intézmények követték a Wisconsini Medical College példáját. Egyesült Királyság Humángenetikai Központ Wellcome Trust Center for Human Genetics(Oxford) 500 ember genomjának szekvenálását tervezi. A Bethesda-i Nemzeti Egészségügyi Intézet (USA) Diagnosztizálatlan Betegségek Programja 2008 óta végzi a betegek szekvenálását. Több mint 140 exómát és 5 genomot elemeztek a nehezen diagnosztizálható betegségek molekuláris alapjainak felkutatása érdekében.

Sok betegség genetikai alapja még mindig nem ismert. Az OMIM (Online Mendelian Heritance in Man) online forrás több mint 7000 emberi betegség jellemzőit tartalmazza, és ezeknek csak a fele rendelkezik molekuláris mechanizmusokkal. Eric Green szerint az Országos Humán Genomkutató Intézet hamarosan támogatást ad ki több, a betegségek molekuláris okait tanulmányozó szekvenáló központ finanszírozására.

A tudósok szerint a szekvenálási eredmények könnyebben használhatók a rák diagnosztizálására és kezelésére, nem pedig a ritka örökletes betegségekre. A klinikusok már részletes elemzést végeznek egyes rákos megbetegedésekről, hogy a terápiát a páciens genetikai jellemzőihez igazítsák. Például a kémiai jelátviteli útvonalak hibái olykor kimutathatók egy adott rákos sejt genomjában, ami alapján kiválasztható egy adott gyógyszer. Ez a szokásos diagnosztikai módszerekkel nem lehetséges.

2007-ben egy 78 éves kanadai férfit kezeltek a British Columbia Cancer Agency rákkutató központjában (Vancouver, Kanada). Nem volt jóváhagyott kezelés az ilyen típusú rák kezelésére, ezért az orvosok meggyőzték a rákközpont tudósait, hogy szekvenálják a daganatsejtek genomját. A tudósok elemezték a transzkriptumot is, amely lehetővé tette nemcsak a DNS-szekvencia tanulmányozását, hanem a tumorsejtek által termelt RNS mennyiségét is. Miután összehasonlították az adatokat más rákos daganatok adataival és a normál sejtek genomszekvenciájával, a tudósok figyelmüket a génre összpontosították. RET, amely megkettőződött a rákos sejtek genomjában, és nagyszámú mRNS-molekulává íródott át. Számos gyógyszer gátolja az e gén által kódolt fehérjét. Marco Marra, a rákközpont igazgatója szerint hosszas mérlegelés után a választott gyógyszer a szunitinib volt. A rák kialakulását több hónapra leállították, majd a daganat újra metasztázisba kezdett. Az újonnan kialakult daganatok elemzése kimutatta, hogy a rosszindulatú sejtekben rákot okozó jelátviteli utak aktiválódtak, így a daganat az első gyógyszerrel szemben rezisztenssé, de esetleg másokkal szemben is érzékenysé vált. De sajnos már késő volt: a beteg meghalt.

Marr kutatócsoportja jelenleg egy másik ráktípus, az akut mieloid leukémia diagnózisának javítását célzó projekten dolgozik, genom- és transzkriptum-szekvenálás segítségével. Marr példáján inspirálva a St. Louis-i Washington Egyetem (USA) genetikusai rákos betegek genomját is szekvenálják a hatékony rákellenes terápia kiválasztása érdekében.

A teljes genomszekvenálás kutatásból a klinikai gyakorlatba történő átültetése azonban bizonyos akadályokba ütközik. A kutatási tevékenységekkel ellentétben a diagnózisra szánt DNS-szekvenálást akkreditált laboratóriumokban kell elvégezni, mint pl Illumina. A humán kutatást felügyelő intézményi felülvizsgálati testületek még nem jutottak konszenzusra arról, hogy a klinikai szekvenálás jóváhagyásához szükséges-e, és az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hatóságának még nem kell eldöntenie, hogyan szabályozza a közelgő klinikai szekvenálási hullámot.

Sok tudós és klinikus attól tart, hogy nincs elég ember az egészségügyi ellátórendszerben, aki mélyen ismeri a genomikát és a bioinformatikát ahhoz, hogy megfelelően értelmezze a hatalmas információáradat. Szakértők szerint az emberi betegségekre vonatkozó adatok számos tudományos cikkben és adatbázisban vannak szétszórva, amelyeket néha nehéz megérteni. Emellett a szekvenciaelemzés nagyon munkaigényes feladat. Hamback szerint abban a néhány kutatási projektben, amelyben a cég részt vett Illumina, csak a genom összes polimorf változatának azonosítása 2-3 hetet vett igénybe. „Ez munkaigényes munka magasan képzett szakemberek számára”, - kommentálja Hamback.

Néhány információ szükségtelen lehet a betegek számára. Az orvosi genetikusok és etikusok régóta foglalkoznak azzal, hogy olyan genetikai markereket találjanak, amelyek a nem gyógyítható betegségek kockázatához kapcsolódnak. A teljes genomszekvenciával az egekbe szökik az ilyen „extra” információk megszerzésének valószínűsége. A fiatal betegek helyzete is nehéz. Van-e joguk a szülőknek eldönteni gyermekeik helyett, hogy milyen információkat kell tudniuk és mit nem?

Emiatt Stephen Kingsmore, aki a Kansas Cityben (USA) működő Children's Mercy Hospitalban dolgozik, azt állítja, hogy a klinikai szekvenálást korlátozni kell. Kutatócsoportja jelenleg egy olyan módszert fejleszt ki, amely több mint 600 recesszív mutációhoz köthető egyidejűleg kimutatható. betegségek.

Egyes genetikusok azonban úgy vélik, hogy „a vonatot nem lehet megállítani”. "Amint ennek a technológiának az információtartalmát bemutatták, azt hiszem, széles körben fogják használni.", mondja Hakon Hakonarson, aki jelenleg klinikai szekvenálási programot futtat a Philadelphiai Gyermekkórházban, az Egyesült Államokban.

A Jord család még mindig azon töpreng, mit tárt fel előttük a sorozat. Bár az eredmények még mindig nem befolyásolták a terápiát, ha Debbie és Lynne korábban tudtak volna a gyerekek tüdőproblémáiról, elkerülhető lett volna a veszélyes műtét, amelyen Heather és Logan át kellett volna esniük, hogy csökkentsék volna a tüdőgyulladás kiújulásának valószínűségét.

Lynn szerint a klinikai szekvenálás sikeres lesz. "De született optimista vagyok", teszi hozzá.

Eredeti szöveg: Brendan Maher

Hét éve történt – 2000. június 26-án. Az amerikai elnök és a brit miniszterelnök részvételével tartott közös sajtótájékoztatón két kutatócsoport képviselői - Nemzetközi Humán Genom Szekvenáló Konzorcium(IHGSC) és Celera Genomics- bejelentette, hogy a 70-es években elkezdett emberi genom megfejtési munkálatok sikeresen befejeződtek, és elkészült a vázlatos változata. Az emberi fejlődés új epizódja kezdődött – a posztgenomikus korszak.

Mit adhat nekünk a genom megfejtése, és megéri-e az elköltött pénz és erőfeszítés az elért eredményeket? Francis Collins ( Francis S. Collins), az American Human Genome Program vezetője, 2000-ben a következő előrejelzést adta az orvostudomány és a biológia fejlődésére a posztgenomikus korszakban:

• 2010 - genetikai vizsgálat, betegségek kockázatát csökkentő megelőző intézkedések, génterápia akár 25 örökletes betegség esetén. Az ápolónők orvosi genetikai eljárásokat kezdenek végezni. A preimplantációs diagnosztika széles körben elérhető, és ennek a módszernek a korlátait aktívan tárgyalják. Az Egyesült Államoknak törvényei vannak a genetikai megkülönböztetés megakadályozására és a magánélet tiszteletben tartására. A genomika gyakorlati alkalmazásai nem mindenki számára elérhetőek, különösen a fejlődő országokban.
• 2020 - megjelennek a piacon a cukorbetegség, a magas vérnyomás és más betegségek kezelésére szolgáló, genomiális információk alapján kifejlesztett gyógyszerek. Olyan rákterápiákat fejlesztenek ki, amelyek kifejezetten a rákos sejtek tulajdonságait célozzák meg bizonyos daganatokban. A farmakogenomika számos gyógyszer kifejlesztésének általános megközelítésévé válik. A mentális betegségek diagnosztizálásának módjának megváltoztatása, új kezelési módszerek megjelenése, a társadalom ilyen betegségekhez való hozzáállásának megváltoztatása. A genomika gyakorlati alkalmazása még mindig nem mindenhol elérhető.
• 2030 - az egyén teljes genomjának nukleotidszekvenciájának meghatározása rutin eljárássá válik, amely kevesebb, mint 1000 dollárba kerül. Az öregedési folyamatban részt vevő géneket katalogizálták. Klinikai kísérleteket végeznek az emberek maximális élettartamának növelésére. Az emberi sejtekkel végzett laboratóriumi kísérleteket felváltották a számítógépes modelleken végzett kísérletek. A fejlett technológiák ellenzőinek tömeges megmozdulásai fokozódnak az Egyesült Államokban és más országokban.
• 2040 - Minden általánosan elfogadott egészségügyi intézkedés genomikán alapul. A legtöbb betegségre való hajlamot meghatározzák (még a születés előtt). Egyénre szabott hatékony megelőző gyógyszer áll rendelkezésre. A betegségeket molekuláris monitorozással korai stádiumban észlelik.
  A génterápia számos betegség esetén elérhető. A gyógyszerek helyettesítése a szervezet által a terápiára válaszul termelt géntermékekkel. Az átlagos várható élettartam a javuló társadalmi-gazdasági feltételek miatt eléri a 90 évet. Komoly vita folyik arról, hogy az ember képes-e irányítani saját evolúcióját.
  A világban továbbra is fennáll az egyenlőtlenség, ami nemzetközi szinten feszültséget szül.

Amint az az előrejelzésből is látható, a genomikai információk a közeljövőben számos betegség kezelésének és megelőzésének alapjává válhatnak. A génjeire vonatkozó információk nélkül (és ez egy szabványos DVD-n is elfér) a jövőben az ember csak egy dzsungelben lévő gyógyítótól lesz képes meggyógyítani az orrfolyást. Ez fantasztikusnak tűnik? De valamikor a himlő elleni univerzális oltás vagy az internet ugyanolyan fantasztikus volt (megjegyezzük, hogy a 70-es években még nem létezett)! A jövőben a gyermek genetikai kódját a szülészeti kórházban kapják meg a szülők. Elméletileg egy ilyen lemezzel az egyén bármely betegségének kezelése és megelőzése puszta apróság lesz. Egy profi orvos rendkívül rövid időn belül képes lesz diagnózist felállítani, hatékony kezelést előírni, sőt, a jövőben is meg tudja határozni a különböző betegségek megjelenésének valószínűségét. Például a modern genetikai tesztekkel már pontosan meg lehet határozni a nő mellrákra való hajlamának mértékét. Szinte bizonyosan 40-50 év múlva egyetlen magát tisztelő, genetikai kóddal nem rendelkező orvos sem akar majd „vakon kezelni” – ahogy ma a műtét sem nélkülözheti a röntgent.

Tegyük fel magunknak a kérdést – megbízható-e az elhangzottak, vagy talán a valóságban minden fordítva lesz? Az emberek végre képesek lesznek legyőzni minden betegséget, és elérik-e az egyetemes boldogságot? Jaj. Kezdjük azzal, hogy kicsi a Föld, és nem mindenkinek jut elég boldogság. Valójában ez a fejlődő országok lakosságának még a felének sem elég. A „boldogság” elsősorban a tudomány, különösen a biológiai tudományok szempontjából fejlett államoknak szól. Például egy olyan technikát, amellyel bármely személy genetikai kódját „leolvashatja”, már régóta szabadalmaztatták. Ez egy jól kidolgozott automatizált technológia – bár drága és nagyon finom. Ha akarsz, vegyél licencet, vagy ha akarsz, találj ki egy új technikát. De nem minden országnak van elég pénze ilyen fejlesztésre! Ennek eredményeként számos államban lesz olyan orvostudomány, amely jelentősen megelőzi a világ többi részét. Természetesen a fejletlen országokban a Vöröskereszt jótékonysági kórházakat, kórházakat és genomiális központokat épít majd. És fokozatosan ez oda fog vezetni, hogy a fejlődő országokban élő betegek genetikai információi (amelyek többségben vannak) két-három olyan hatalomban összpontosulnak majd, amelyek finanszírozzák ezt a jótékonyságot. Elképzelni is nehéz, mit lehet kezdeni ilyen információkkal. Talán nem baj. Azonban más eredmény is lehetséges. A genomszekvenálást kísérő prioritás feletti csata jól mutatja a genetikai információ elérhetőségének fontosságát. Idézzünk fel röviden néhány tényt a Humán Genom Program történetéből.

A genomdekódolás ellenzői irreálisnak tartották a feladatot, mert az emberi DNS több tízezerszer hosszabb, mint a vírusok vagy plazmidok DNS-molekulái. A fő ellenérv a következő volt: „ a projekthez dollármilliárdokra lesz szükség, ami a tudomány más területein hiányozni fog, így a genomikai projekt lelassítja a tudomány egészének fejlődését. De ha pénzt találnak, és megfejtik az emberi genomot, akkor az ebből származó információ nem fogja indokolni a költségeket..."Azonban James Watson, a DNS szerkezetének egyik felfedezője és a genetikai információ teljes leolvasását célzó program ideológusa szellemesen visszavágott: " Jobb nem fogni egy nagy halat, mint nem fogni egy kicsit",. A tudós érvelését meghallgatták - a genomproblémát megvitatták az Egyesült Államok Kongresszusában, és ennek eredményeként elfogadták a nemzeti humán genom programot.

Az amerikai Bethesda városában, Washingtontól nem messze található az egyik HUGO koordinációs központ ( Humán Genom Szervezet). A központ hat országban – Németországban, Angliában, Franciaországban, Japánban, Kínában és az USA-ban – koordinálja az „Emberi genom” témájú tudományos munkát. A világ számos országának tudósai csatlakoztak a munkához, három csapatban egyesültek: két államközi - amerikai Humán genom projektés brit származású Wellcome Trust Sanger Institute- és egy marylandi magánvállalat, amely kicsit később lépett be a játékba - Celera Genomics. A biológiában egyébként talán ez az első alkalom, amikor egy magáncég ilyen magas szinten versenyzett a kormányközi szervezetekkel.

A küzdelem kolosszális eszközök és képességek felhasználásával zajlott. Amint azt orosz szakértők megjegyezték egy ideje, Celera ráállt a Human Genome program vállára, vagyis felhasználta a globális projekt részeként már megtörténteket. Igazán, Celera Genomics Nem eleinte csatlakoztam a programhoz, hanem akkor, amikor a projekt már javában zajlott. Azonban a szakértők a Celera javította a szekvenálási algoritmust. Emellett megrendelésre egy szuperszámítógépet is építettek, amely lehetővé tette a DNS azonosított „építőkockáinak” gyorsabb és pontosabb hozzáadását a kapott szekvenciához. Persze mindez nem adott a cégnek Celera feltétel nélküli előnyben részesítette, de arra kényszerítette, hogy a verseny teljes jogú résztvevőjének tekintsék.

Megjelenés Celera Genomics a feszültség meredeken nőtt – a kormányzati programokban foglalkoztatottak éles versenyt éreztek. Emellett a társaság megalakulása után élessé vált az állami beruházások felhasználásának hatékonyságának kérdése. által vezetett Celera Craig Venter professzor lett ( Craig Venter), akik nagy tapasztalattal rendelkeztek az „Emberi genom” állami program keretében végzett tudományos munkában. Ő volt az, aki azt mondta, hogy minden nyilvános program hatástalan, és cége gyorsabban és olcsóbban szekvenálja a genomot. És akkor megjelent egy másik tényező - a nagy gyógyszergyártók rákaptak. A helyzet az, hogy ha a genomról minden információ nyilvános, akkor elveszítik a szellemi tulajdont, és nem lesz mit szabadalmaztatni. Emiatt aggódva dollármilliárdokat fektettek be a Celera Genomicsba (amivel valószínűleg könnyebb volt tárgyalni). Ez tovább erősítette pozícióját. Erre válaszul az államközi konzorcium csapatainak sürgősen növelniük kellett a genomdekódoló munka hatékonyságát. Eleinte koordinálatlan volt a munka, de aztán megvalósultak az együttélés bizonyos formái – és a verseny is elkezdett fokozni a tempót.

A finálé gyönyörű volt - a versengő szervezetek közös megegyezéssel egyidejűleg bejelentették az emberi genom megfejtésére irányuló munka befejezését. Ez történt, mint már írtuk, 2000. június 26-án. De az Amerika és Anglia közötti időkülönbség az Egyesült Államokat hozta az első helyre.

1. ábra: A „Race for the Genome”, amelyben egy kormányközi és magáncég vett részt, formálisan „döntetlen” lett: mindkét kutatócsoport szinte egyszerre tette közzé eredményeit. Celera Genomics Egy magáncég vezetője Craig Venter publikálta munkáját a folyóiratban Tudomány ~270, a felügyelete alatt dolgozó tudóssal közösen írt. Az International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) által végzett munka a folyóiratban jelent meg. Természet

, a szerzők teljes listája pedig mintegy 2800 embert számlál, akik közel háromtucatnyi központban dolgoznak szerte a világon. Celera Genomics A kutatás összesen 15 évig tartott. Az emberi genom első „vázlatos” változatának elkészítése 300 millió dollárba került. Mindazonáltal mintegy hárommilliárd dollárt különítettek el a témával kapcsolatos összes kutatásra, beleértve az összehasonlító elemzéseket és számos etikai probléma megoldását. Celera Genomics körülbelül ugyanannyit fektetett be, bár mindössze hat év alatt költötte el. Az ár kolosszális, de ez az összeg elenyésző ahhoz képest, hogy milyen előnyökkel jár a fejlődő ország a közeljövőben várható több tucat súlyos betegség felett aratott végső győzelemből. Egy 2002. október elején adott interjúban az Associated Pressnek, az elnök Craig Venter elmondta, hogy egyik non-profit szervezete olyan CD-k készítését tervezi, amelyek a lehető legtöbb információt tartalmazzák az ügyfél DNS-éről. Egy ilyen megrendelés előzetes költsége több mint 700 ezer dollár. A DNS szerkezetének egyik felfedezője - Dr. James Watson - pedig idén már kapott két DVD-t a genomjával összesen 1 millió dollár értékben - mint látjuk, az árak esnek. Tehát a cég alelnöke 454 Élettudományok Michael Egholm ( Michael Egholm

A széles körű hírnév és a nagyszabású finanszírozás kétélű fegyver. Egyrészt a korlátlan forrásoknak köszönhetően a munka könnyen és gyorsan halad. De másrészt a kutatás eredményének olyannak kell lennie, amilyennek elrendelik. 2001 elejére több mint 20 ezer gént azonosítottak 100%-os biztonsággal az emberi genomban. Ez a szám háromszor kisebbnek bizonyult a mindössze két évvel korábban jósoltnál. Az Egyesült Államok Nemzeti Genomikai Kutatóintézetének második kutatócsoportja, Francis Collins vezetésével, egymástól függetlenül ugyanazokat az eredményeket érte el – minden emberi sejt genomjában 20-25 ezer gén található. Két másik nemzetközi együttműködésen alapuló kutatási projekt azonban bizonytalanságot adott a végső becslésekhez. Dr. William Heseltine (vezérigazgató) Humán genom tanulmányok) ragaszkodott ahhoz, hogy bankjuk 140 ezer génről tartalmaz információt. És ezt az információt egyelőre nem fogja megosztani a világközösséggel. Cége pénzt fektetett be szabadalmakba, és azt tervezi, hogy pénzt keres a széles körben elterjedt emberi betegségek génjeivel kapcsolatos információkból. Egy másik csoport azt állította, hogy 120 000 azonosított emberi gén létezik, és ragaszkodott ahhoz is, hogy ez a szám tükrözze az emberi gének teljes számát.

Itt tisztázni kell, hogy ezek a kutatók nem magának a genomnak a DNS-szekvenciájának megfejtésével foglalkoztak, hanem az információs (más néven templát) RNS (mRNS vagy mRNS) DNS-másolatainak megfejtésével. Más szóval, nem a teljes genomot vizsgálták, hanem annak csak azt a részét, amelyet a sejt mRNS-be kódol át, és irányítja a fehérjék szintézisét. Mivel egy gén több különböző típusú mRNS előállításához szolgálhat templátként (amit számos tényező határoz meg: sejttípus, a szervezet fejlődési stádiuma stb.), így az összes különböző mRNS-szekvencia teljes száma (és pontosan ez az, amit a szabadalmaztatott Humán genom tanulmányok) lényegesen nagyobb lesz. Valószínűleg ennek a számnak a használata a genomban lévő gének számának becslésére egyszerűen helytelen.

Nyilvánvaló, hogy a sebtében „privatizált” genetikai információkat a következő években alaposan ellenőrizni fogják, amíg végre általánosan elfogadottá válik a gének pontos száma. A riasztó azonban az a tény, hogy a „megismerés” folyamatában minden szabadalmaztatható. Még csak nem is egy döglött medve bőre, de általában minden, ami az odúban volt, fel van osztva! A vita egyébként mára lelassult, és az emberi genom hivatalosan csak 21 667 gént tartalmaz (NCBI 35-ös verzió, 2005. október). Meg kell jegyezni, hogy jelenleg az információk nagy része nyilvánosan elérhető marad. Ma már léteznek olyan adatbázisok, amelyek nemcsak az emberek genomjának szerkezetéről gyűjtenek információkat, hanem sok más organizmus genomjának szerkezetéről is (például az EnsEMBL). Mindazonáltal minden gén vagy szekvencia kereskedelmi célú felhasználására kizárólagos jogok megszerzésére irányuló kísérletek mindig is voltak, vannak most és a jövőben is.

Mára a program szerkezeti részének fő céljai már nagyrészt teljesültek – az emberi genomot szinte teljesen kiolvasták. A sorozat első, "vázlatos" változata, amelyet 2001 elején tettek közzé, messze nem volt tökéletes. A genom szekvencia egészének hozzávetőlegesen 30%-a hiányzott, ebből mintegy 10%-a az ún. euchromatin- a kromoszómák génben gazdag és aktívan expresszálódó régiói. A legújabb becslések szerint az euchromatin a teljes genom körülbelül 93,5%-át teszi ki. A fennmaradó 6,5% származik heterokromatin- a kromoszómák ezen régiói génszegények és nagyszámú ismétlődést tartalmaznak, ami komoly nehézségeket okoz a szekvenciájukat leolvasni próbáló tudósoknak. Ezenkívül úgy gondolják, hogy a heterokromatinban lévő DNS inaktív és nem expresszálódik. (Ez magyarázhatja a tudósok „figyelmetlenségét” az emberi genom fennmaradó „kis” százalékaival szemben.) De még az eukromatikus szekvenciák 2001-ben elérhető „piszkozat” változatai is nagyszámú törést, hibát, valamint helytelenül kapcsolódást és orientációt tartalmaztak. töredékek. Anélkül, hogy ez a tervezet tudomány és alkalmazásai jelentőségét bármilyen módon csökkentené, érdemes megjegyezni, hogy ezen előzetes információk felhasználása a genom egészét elemző nagyszabású kísérletekben (például a gének evolúciójának, ill. a genom általános szerveződése) sok pontatlanságot és műterméket tárt fel. Ezért feltétlenül szükség volt további és nem kevésbé fáradságos munkára, „az utolsó lépésekre”.

2. ábra. Balra: Automatizált vonal DNS-minták előkészítésére a szekvenáláshoz a Whitehead Institute Genomic Research Centerben. Jobbra: Laboratórium Magyarországon, tele DNS-szekvenciák nagy áteresztőképességű dekódolására szolgáló gépekkel.

A visszafejtés befejezése több évig tartott, és majdnem megduplázta a teljes projekt költségét. Azonban már 2004-ben bejelentették, hogy az euchromatint 99%-ban leolvasták, 100 000 bázispáronként egy hiba általános pontossággal. A szünetek száma 400-szorosára csökkent. Az olvasás pontossága és teljessége elegendővé vált egy adott örökletes betegségért (például cukorbetegség vagy mellrák) felelős gének hatékony felkutatásához. Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy a kutatóknak már nem kell átmenniük azon a munkaigényes folyamaton, hogy megerősítsék azon gének szekvenciáit, amelyekkel dolgoznak, hiszen teljes mértékben a teljes genom mindenki számára elérhető specifikus szekvenciájára hagyatkozhatnak.

Így az eredeti projekttervet jelentősen túllépték. Ez segített nekünk megérteni, hogyan épül fel és működik a genomunk? Kétségtelenül. A cikk szerzői a ~270, a felügyelete alatt dolgozó tudóssal közösen írt. Az International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) által végzett munka a folyóiratban jelent meg., amelyben a genom „végső” (2004-es állapotú) változata megjelent, több olyan elemzést is elvégeztek a felhasználásával, amelyek teljesen értelmetlenek lettek volna, ha csak egy „vázlat” szekvencia van a kezükben. Kiderült, hogy több mint ezer gén „született” egészen a közelmúltban (természetesen evolúciós mércével mérve) - az eredeti gén megduplázódása, majd a leánygén és a szülőgén önálló fejlődése során. És a közelmúltban alig negyven gén „halt meg”, olyan mutációkat halmoztak fel, amelyek teljesen inaktívvá tették őket. Egy másik cikk a magazin ugyanebben a számában jelent meg ~270, a felügyelete alatt dolgozó tudóssal közösen írt. Az International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) által végzett munka a folyóiratban jelent meg., közvetlenül rámutat a tudósok által használt módszer hiányosságaira től Celera. Ezeknek a hiányosságoknak a következménye az volt, hogy a leolvasott DNS-szekvenciákból kimaradt számos ismétlés, és ennek eredményeként a teljes genom hossza és összetettsége alábecsült. A hasonló hibák jövőbeni megismétlődésének elkerülése érdekében a cikk szerzői egy hibrid stratégia alkalmazását javasolták – a tudósok által használt rendkívül hatékony megközelítés kombinációját. Celera, illetve az IHGSC kutatói által használt, viszonylag lassú és munkaigényes, de egyben megbízhatóbb módszer.

Hová tart ezután a példátlan emberi genom vizsgálat? Erre most már lehet valamit mondani. A 2003 szeptemberében alapított ENCODE nemzetközi konzorcium ( A DNS-elemek ENCIklopédiája) az emberi genomban található „vezérlőelemek” (szekvenciák) felfedezését és tanulmányozását tűzte ki célul. Valóban, 3 milliárd bázispár (nevezetesen az emberi genom hossza) mindössze 22 ezer gént tartalmaz, amelyek számunkra felfoghatatlan módon vannak szétszórva ebben a DNS-óceánban. Mi szabályozza a kifejezésüket? Miért van szükségünk ekkora DNS-többletre? Valóban ballaszt, vagy még mindig megnyilvánul néhány ismeretlen funkcióval?

Kezdetben kísérleti projektként az ENCODE tudósai "közelebbről" megvizsgálták az emberi genom 1%-át (30 millió bázispárt) képviselő szekvenciát, a molekuláris biológiai kutatások legújabb berendezésével. Az eredményeket idén áprilisban tették közzé ~270, a felügyelete alatt dolgozó tudóssal közösen írt. Az International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) által végzett munka a folyóiratban jelent meg.. Kiderült, hogy az emberi genom nagy része (beleértve a korábban „némának” tartott régiókat is) sablonként szolgál különféle RNS-ek előállításához, amelyek közül sok nem információs, mert nem kódol fehérjéket. Sok ilyen „nem kódoló” RNS átfedésben van a „klasszikus” génekkel (a DNS fehérjéket kódoló szakaszaival). Egy másik váratlan eredmény az volt, hogy a szabályozó DNS-régiók hogyan helyezkedtek el azokhoz a génekhez képest, amelyek expresszióját szabályozták. E régiók közül sok szekvenciája keveset változott az evolúció során, míg más régiók, amelyeket a sejtszabályozás szempontjából fontosnak tartottak, mutáltak és váratlanul nagy sebességgel változtak az evolúció során. Mindezek az eredmények nagyszámú új kérdést vetettek fel, amelyekre csak további kutatások során kaphatunk választ.

További feladat, amelynek megoldása a közeljövő kérdése lesz, hogy meghatározzuk a genom heterokromatint felépítő maradék „kis” százalékos szekvenciáját, vagyis a génszegény és ismétlődésben gazdag DNS-szakaszok sorrendjét. a kromoszómák megkettőződése a sejtosztódás során. Az ismétlődések jelenléte ezen szekvenciák megfejtésének feladatát megoldhatatlanná teszi a meglévő megközelítések számára, és ezért új módszerek feltalálását teszi szükségessé. Ezért ne lepődjön meg, amikor 2010-ben újabb cikk jelenik meg, amely bejelenti az emberi genom megfejtésének „befejezését” - arról fog beszélni, hogyan „feltörték” a heterokromatint.

Természetesen most már csak az emberi genom egy bizonyos „átlagos” változata áll rendelkezésünkre. Képletesen szólva, ma már csak a legáltalánosabb leírással rendelkezünk egy autó kialakításáról: motor, alváz, kerekek, kormánykerék, ülések, fényezés, kárpit, benzin és olaj stb. A kapott eredmény alaposabb vizsgálata azt mutatja, hogy vannak több éves munka áll előttünk az egyes genomokra vonatkozó ismereteink finomításában. A Humán Genom Program nem szűnt meg létezni, csak az irányultságát változtatja meg: a strukturális genomikától áttérünk a funkcionális genomikára, amelynek célja a gének szabályozásának és működésének meghatározása. Sőt, génszinten minden ember ugyanúgy különbözik egymástól, mint ahogy ugyanazok az autómodellek ugyanazon egységek különböző változataiban különböznek egymástól. Nemcsak az egyes bázisok különbözhetnek két különböző ember génszekvenciájában, hanem a nagy DNS-fragmensek másolatainak száma is, amelyek néha több gént is tartalmaznak. Ez azt jelenti, hogy előtérbe kerül mondjuk különböző emberi populációk, etnikai csoportok képviselői, sőt egészséges és beteg emberek genomjának részletes összehasonlítása. A modern technológiák lehetővé teszik az ilyen összehasonlító elemzések gyors és pontos elvégzését, de tíz évvel ezelőtt még senki sem álmodott erről. Egy másik nemzetközi tudományos egyesület az emberi genom szerkezeti eltéréseit tanulmányozza. Az USA-ban és Európában jelentős pénzeszközöket különítenek el a bioinformatika finanszírozására - egy fiatal tudományra, amely a számítástechnika, a matematika és a biológia találkozásánál keletkezett, és amely nélkül lehetetlen megérteni a modern biológiában felhalmozott információk határtalan óceánját. A bioinformációs módszerek sok érdekes kérdés megválaszolásában segítenek – „hogyan ment végbe az emberi evolúció?”, „mely gének határozzák meg az emberi szervezet bizonyos jellemzőit?”, „mely gének felelősek a betegségekre való fogékonyságért?” Tudod, mit mondanak az angolok: " Ez a kezdet vége” - „Ez a kezdet vége.” Ez a kifejezés pontosan tükrözi a jelenlegi helyzetet. Kezdődik a legfontosabb és - teljesen biztos vagyok benne - a legérdekesebb: az eredmények halmozása, összehasonlítása és további elemzése.

« ...Ma adjuk ki az „Élet könyve” első kiadását utasításainkkal, - mondta Francis Collins a Rossiya tévécsatornán. - Tíz, száz évig fogunk hozzá fordulni. És hamarosan az emberek azon fognak csodálkozni, hogyan tudnának boldogulni ezen információk nélkül.».

Egy másik nézőpont szemléltethető V. A. akadémikus idézésével:

„...Az a remény, hogy a genom funkcióival kapcsolatos új információk teljesen nyitottak lesznek, pusztán szimbolikus. Megjósolható, hogy olyan gigantikus központok jönnek létre (a meglévők alapján), amelyek képesek lesznek minden adatot egyetlen koherens egésszé, az Ember egyfajta elektronikus változatává összekapcsolni és gyakorlatilag megvalósítani - génekben, fehérjékben, sejtekben, szövetek, szervek és bármi más. De mit? Kinek kellemes? Minek? Az „emberi genom” programmal kapcsolatos munka során az elsődleges DNS-szekvencia meghatározására szolgáló módszerek és berendezések gyorsan javultak. A legnagyobb központokban ez egyfajta gyári tevékenységgé alakult át. De még az egyes laboratóriumi eszközök (vagy inkább komplexumaik) szintjén is olyan fejlett berendezéseket hoztak létre, amelyek három hónap alatt képesek meghatározni a teljes emberi genommal térfogatban megegyező DNS-szekvenciát. Nem meglepő, hogy felmerült (és azonnal elkezdték gyorsan végrehajtani) az egyes emberek genomjának meghatározásának ötlete. Természetesen nagyon érdekes összehasonlítani a különböző egyének különbségeit alapelveik szintjén. Az ilyen összehasonlítás előnyei szintén kétségtelenek. Meg lehet majd állapítani, hogy kinek milyen rendellenességei vannak a genomban, megjósolható lesz a következménye, és kiküszöbölhető, mi vezethet betegséghez. Az egészség garantált lesz, és az élet jelentősen meghosszabbodik. Ez egyrészt. Másrészt egyáltalán nem minden nyilvánvaló. Az egyén teljes öröklődésének megszerzése és elemzése azt jelenti, hogy teljes, átfogó biológiai dossziét kapunk róla. Ha az őt ismerő kívánja, lehetővé teszi számára, hogy bármit megtegyen egy személlyel, ugyanolyan átfogóan. A már ismert lánc szerint: a sejt molekuláris gépezet; egy személy sejtekből áll; a sejt minden megnyilvánulásában és a lehetséges válaszok teljes skálájában rögzítve van a genomban; A genom már ma is korlátozottan manipulálható, belátható időn belül pedig szinte bármilyen módon...»

Valószínűleg azonban még korai félni az ilyen borongós előrejelzésektől (bár minden bizonnyal tudnia kell róluk). Ezek megvalósításához számos társadalmi és kulturális hagyomány teljes újjáépítésére van szükség. A biológiai tudományok doktora, Mikhail Gelfand nagyon jól nyilatkozott erről egy interjúban. O. Az Orosz Tudományos Akadémia Információátviteli Problémái Intézetének igazgatóhelyettese: “ ...ha mondjuk az öt gén egyike megvan, ami előre meghatározza a skizofrénia kialakulását, akkor mi történhetne, ha ez az információ - a genomja - a potenciális munkaadója kezébe kerülne, aki nem ért semmit a genomikához!(és ennek eredményeként előfordulhat, hogy kockázatosnak ítélve nem veszik fel; és ez annak ellenére, hogy nincs és nem is lesz skizofréniája – a szerző megjegyzése.) Egy másik szempont: a genomikára épülő, egyénre szabott orvoslás megjelenésével a biztosítási medicina teljesen megváltozik. Hiszen egy dolog az ismeretlen kockázatokról gondoskodni, és egy egészen bizonyos kockázatokról. Hogy őszinte legyek, az egész nyugati társadalom, nem csak az orosz, most nincs készen a genomikus forradalomra...” .

Valójában ahhoz, hogy az új információkat bölcsen használhassa, meg kell értenie azokat. És annak érdekében megérteni a genomot nem könnyű leolvasni, ez messze nem elég – ehhez évtizedekbe telik. Nagyon összetett kép rajzolódik ki, és annak megértéséhez sok sztereotípián kell változtatnunk. Ezért valójában a genom megfejtése még mindig folyamatban van, és folytatódni fog. És rajtunk múlik, hogy félreállunk, vagy végre aktív résztvevőivé válunk ennek a versenynek.

Irodalom

1. Kiselev L. (2001). Az Új Biológia 2001 februárjában indult. "Tudomány és élet";
2. Kiselev L. (2002). A genom második élete: a szerkezettől a működésig. "A tudás hatalom". 7 ;
3. Ewan Birney, The ENCODE Project Consortium, John A. Stamatoyannopoulos, Anindya Dutta, Roderic Guigó stb. al.. (2007). Funkcionális elemek azonosítása és elemzése az emberi genom 1%-ában az ENCODE kísérleti projekttel. ~270, a felügyelete alatt dolgozó tudóssal közösen írt. Az International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) által végzett munka a folyóiratban jelent meg.. 447 , 799-816;
4. Lincoln D. Stein. (2004). Emberi genom: a kezdet vége. ~270, a felügyelete alatt dolgozó tudóssal közösen írt. Az International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) által végzett munka a folyóiratban jelent meg.. 431 , 915-916;
5. Gelfand M. (2007). Posztgenomikus korszak. "Kereskedelmi biotechnológia".

Humán genom projekt

Projekt logó

Humán genom projekt(Angol) Az emberi genom projekt, HGP Figyelj)) egy nemzetközi kutatási projekt, amelynek fő célja a DNS-t alkotó nukleotidok szekvenciájának meghatározása és az emberi genom 20 000-25 000 génjének azonosítása volt.

Kezdetben azt tervezték, hogy meghatározzák a haploid emberi genomban található több mint hárommilliárd nukleotidszekvenciát. Ezt követően több csoport is bejelentette, hogy kísérletet tesz a feladat kiterjesztésére az emberi diploid genom szekvenálására, köztük a HapMap (angol), Applied Biosystems, Perlegen és klónozott állatok nemzetközi projektje is egyedülálló, így az emberi genom szekvenciájának meghatározásához az elve magában foglalja minden egyes gén számos változatának szekvenálását. A Human Genome Projectnek azonban nem az volt a célja, hogy az emberi sejtekben található összes DNS-t szekvenálja; és egyes heterokromatikus régiók (összesen kb. 8%-a) a mai napig szekvenálatlanok.

Projekt

Előfeltételek

A projekt az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma által támogatott több éves munka csúcspontja volt, különösen az 1984-ben és 1986-ban tartott workshopok, valamint az azt követő Energiaügyi Minisztérium. Az 1987-es jelentés egyértelműen kijelenti: „Ennek a törekvésnek a végső célja az emberi genom megértése”, és „az emberi genom ismerete éppoly nélkülözhetetlen az orvostudomány és más egészségügyi tudományok fejlődéséhez, mint az anatómia ismerete a jelenlegi állapotához”. A javasolt probléma megoldására alkalmas technológiák keresése a 80-as évek második felében kezdődött.

A széles körű nemzetközi együttműködésnek és a genomika (különösen a szekvenálás) terén elért új fejleményeknek, valamint a számítástechnika jelentős fejlődésének köszönhetően a „vázlat” genom 2000-ben elkészült (ezt Bill Clinton amerikai elnök és Tony Blair brit miniszterelnök közösen jelentette be június 26-án). , 2000). A folyamatos szekvenálás eredményeként 2003 áprilisában bejelentették, hogy a munka majdnem befejeződött, a tervezettnél 2 évvel korábban. Májusban újabb mérföldkő történt a projekt befejezése felé, amikor a magazin ".

Teljesség

Az "emberi genom teljes szekvenciájának" számos meghatározása létezik. Egyesek szerint a genomot már teljesen szekvenálták, míg mások szerint ez még várat magára. A népszerű sajtóban számos cikk jelent meg a genom "befejezéséről". Az International Human Genome Project által használt definíció szerint a genomot teljesen szekvenálták. A projekt szekvenálási történetének idővonala azt mutatja, hogy az emberi genom nagy része 2003 végén elkészült. Azonban még mindig vannak olyan régiók, amelyeket befejezetlennek tekintenek:

• Mindenekelőtt az egyes kromoszómák központi régiói, az úgynevezett centromerek, amelyek nagyszámú ismétlődő DNS-szekvenciát tartalmaznak; nehéz sorrendbe állítani a jelenlegi technológia segítségével. A centromerek több millió (esetleg több tízmillió) bázispárból állnak, és nagyrészt szekvencia nélkül maradnak.
• Másodszor, a kromoszómák végei, az úgynevezett telomerek, szintén ismétlődő szekvenciákból állnak, és emiatt a 46 kromoszóma többségében a dekódolásuk nem teljes. Nem ismert pontosan, hogy a szekvencia mekkora része marad megfejtetlen a telomerek előtt, de a centromerekhez hasonlóan a jelenlegi technológiai korlátok megakadályozzák a szekvenálásukat.
• Harmadszor, az egyes egyedek genomjában több olyan lókusz található, amelyek többgénes családok tagjait tartalmazzák, amelyeket a mai fő DNS-fragmentációs módszerrel szintén nehéz megfejteni. Ezek a családok különösen az immunrendszer számára fontos fehérjéket kódolnak.
• Ezeken a régiókon kívül még számos, a genomban elszórtan található hézag van, amelyek egy része meglehetősen nagy, de remélhetőleg a következő években mindegyiket bezárják.

A fennmaradó DNS nagy része erősen ismétlődő, és nem valószínű, hogy tartalmaz géneket, de ez ismeretlen marad, amíg teljesen meg nem szekvenálják. Az összes gén működésének és szabályozásának megértése még korántsem teljes. A szemét DNS szerepe, a genom evolúciója, az egyének közötti különbségek és sok más kérdés továbbra is intenzív kutatás tárgyát képezi a világ laboratóriumaiban.

Gólok

Az emberi DNS-szekvenciát az interneten keresztül bárki által elérhető adatbázisokban tárolják. Az Egyesült Államok Nemzeti Biotechnológiai Információs Központja (és partnerszervezetei Európában és Japánban) a genomi szekvenciákat GenBank néven ismert adatbázisban tárolják az ismert és feltételezett gének és fehérjék szekvenciáival együtt. Más szervezetek, mint például a Kaliforniai Egyetem, a Santa Cruz és az Ensembl, támogatják a további adatokat és megjegyzéseket, valamint hatékony megjelenítési és keresőeszközöket ezekhez az adatbázisokhoz. Számítógépes programokat fejlesztettek ki az adatok elemzésére, mivel magukat az adatokat szinte lehetetlen értelmezni ilyen programok nélkül.

A génhatárok és más motívumok azonosításának folyamatát a nyers DNS-szekvenciákban genom annotációnak nevezik, és a bioinformatika területe. Ezt a munkát a számítógépek végzik az emberek, de lassan végzik, és a genomszekvenálási projektek nagy áteresztőképességű igényeinek kielégítésére egyre gyakrabban használnak speciális számítógépes programokat is. Napjaink legjobb annotációs technológiái a DNS-szekvenciák és az emberi nyelv közötti párhuzamokon alapuló statisztikai modelleket használnak számítástechnikai fogalmak, például formális nyelvtan felhasználásával.

A Human Genome Project másik, gyakran figyelmen kívül hagyott célja a genom szekvenálásának etikai, jogi és társadalmi vonatkozásainak feltárása. Fontos feltárni ezeket a kérdéseket, és megtalálni a legmegfelelőbb megoldásokat, mielőtt nézeteltérések és politikai problémák okává válnának.

A projekt által kitűzött célok szinte mindegyike a vártnál gyorsabban megvalósult. Az emberi genom megfejtésére irányuló projekt a tervezettnél két évvel korábban fejeződött be. A projekt ésszerű, elérhető célként tűzte ki a DNS 95%-ának szekvenálását. A kutatók nem csak elérték, de felülmúlták saját előrejelzéseiket is, és az emberi DNS 99,99%-át tudták szekvenálni. A projekt nemcsak túlteljesített minden célt és korábban kidolgozott szabványt, hanem tovább javítja a már elért eredményeket.

A projektet az Egyesült Államok kormánya és a Wellcome Trust brit jótékonysági szervezet, valamint számos más csoport finanszírozta szerte a világon. A genomot kis, körülbelül 150 000 bázispár hosszúságú szakaszokra osztották. Ezeket a darabokat ezután egy bakteriális mesterséges kromoszómaként vagy BAC-ként ismert vektorba illesztettük. Ezeket a vektorokat olyan bakteriális kromoszómákból hozzák létre, amelyeket géntechnológiával módosítottak. A géneket tartalmazó vektorok ezután beépíthetők a baktériumokba, ahol a bakteriális replikációs gépezet lemásolja azokat. Ezután a genom minden darabját külön-külön szekvenálták „fragmentációs” módszerrel, majd az összes így kapott szekvenciát számítógépes szöveg formájában összegyűjtötték. Az így létrejött nagy DNS-darabok, amelyeket a teljes kromoszóma szerkezetének rekonstruálására állítottak össze, körülbelül 150 000 nukleotidpárból álltak. Ezt a rendszert „hierarchikus fragmentációs módszernek” nevezik, mivel a genomot először különböző méretű darabokra bontják, amelyeknek a kromoszómában elfoglalt helyzetét előre tudni kell.

Általános és magánprojektek adatainak összehasonlítása

Craig Venter

1998-ban Craig Venter amerikai kutató és cége, a Celera Genomics hasonló, magánfinanszírozású tanulmányt indított. Az 1990-es évek elején, amikor a Human Genome Project még csak elkezdődött, Venter az Országos Egészségügyi Intézetben is dolgozott. Saját 300 millió dolláros Celera projektjének célja az emberi genom gyorsabb és olcsóbb szekvenálása volt, mint a 3 milliárd dolláros kormányzati projekt.

A Celera a genom-fragmentálási technika kockázatosabb változatát használta, amelyet korábban legfeljebb hatmillió bázispár hosszúságú baktériumgenomok szekvenálására alkalmaztak, de soha nem olyan nagy méretre, mint a hárommilliárd bázispár emberi genom.

A Celera kezdetben bejelentette, hogy "csak 200 vagy 300" génre kíván szabadalmi védelmet kérni, de később módosította, hogy "szellemi tulajdon védelmét" kérje "a kritikus struktúrák teljes leírására", amelyek körülbelül 100-300 célpontot alkotnak. Végül a cég 6500 teljes vagy részleges génre nyújtott be ideiglenes szabadalmi kérelmet. A Celera azt is megígérte, hogy az 1996-os Bermuda Nyilatkozat értelmében közzéteszi munkáját, és negyedévente tesz közzé új adatokat (a Human Genome Project naponta közöl új adatokat), de a kormány által finanszírozott projekttől eltérően a cég nem ad engedélyt ingyenes terjesztésre vagy kereskedelmi használatra. adatainak felhasználása.

2000 márciusában Bill Clinton amerikai elnök kijelentette, hogy a genomszekvencia nem szabadalmaztatható, és minden kutató számára szabadon hozzáférhetőnek kell lennie. Az elnök bejelentését követően a Celera részvényei meredeken estek, ami két napon belül lehúzta a teljes biotechnológiai szektor piaci kapitalizációját.

Bár a genom munkatervezetét 2000 júniusában bejelentették, Celera és a Human Genome Projecten dolgozó tudósok csak 2001 februárjában publikáltak munkájuk részleteit. a vázlat elkészítéséhez használt módszereket, és javasolta annak elemzését. Ezek a vázlatok a genom körülbelül 83%-át fedték le (90% eukromatikus régiók 150 000 hézaggal, és sok, még hiányos szegmens sorrendjét és orientációját is tartalmazták). 2001 februárjában a közös publikációk előkészítése során sajtóközlemények jelentek meg, amelyekben jelezték, hogy a projektet mindkét csoport befejezte. 2003-ban és 2005-ben javított piszkozatokat jelentettek be, amelyek a sorozat körülbelül 92%-át tartalmazzák.

A verseny nagyon jót tett a projektnek, és arra kényszerítette a kormányzati projekt résztvevőit, hogy módosítsák stratégiájukat, hogy felgyorsítsák a munka előrehaladását. A versenytársak kezdetben megegyeztek az eredmények összevonásában, de a szövetség felbomlott, miután a Celera megtagadta, hogy eredményeit a nyilvános GenBank adatbázison keresztül, minden felhasználó számára korlátlan hozzáféréssel elérhetővé tegye. A Celera beépítette a Human Genome Project adatait a saját szekvenciájába, de megtiltotta, hogy az adataikat minden harmadik fél felhasználó számára felhasználják.

2004-ben az International Consortium for Human Genome Sequencing kutatói Nemzetközi Humán Genom Szekvenáló Konzorcium ) (IHGSC) a Human Genome Project munkatársa bejelentette, hogy 20 000 és 25 000 között van a gének száma az emberi genomban. Korábban 30 000 és 40 000 közé becsülték, a projekt kezdetén 2 000 000-re becsülték. Ez a szám továbbra is ingadozik, és jelenleg várható, hogy hosszú évekig nem lesz konszenzus az emberi genomban található gének pontos számáról.

A magánprojekt története

1995-ben a technika alkalmazhatónak bizonyult a szabadon élő Haemophilus influenzae szervezet első bakteriális genomjának (1,8 millió bázispár) és az első állati genomnak (~100 millió bázispár) szekvenálására. A módszer automatizált szekvencerek alkalmazását jelenti, amely lehetővé teszi hosszabb egyedi szekvenciák meghatározását (akkor kb. 500 bázispárt kaptak egyszerre). Körülbelül 2000 bázispárból álló átfedő szekvenciákat olvastak le mindkét irányban, ezek a kritikus elemek, amelyek az első genom-összeállító számítógépes programok kifejlesztéséhez vezettek, amelyek a DNS nagy régióinak, úgynevezett contig-nek rekonstruálásához szükségesek.

Három évvel később, 1998-ban, az újonnan alakult Celera Genomics bejelentését, miszerint a DNS-fragmentációt az emberi genomra növeli, bizonyos körök szkepticizmussal fogadták. A fragmentációs technika a DNS-t különböző méretű, 2000-300 000 bázispár hosszúságú fragmensekre bontja, létrehozva az úgynevezett DNS-könyvtárat. A DNS-t ezután egy automatikus szekvenáló segítségével „leolvassák” 800 bázispár hosszúságú darabokban az egyes fragmentumok mindkét végéről. Egy összetett összeállítási algoritmus és egy szuperszámítógép segítségével rakják össze a darabokat, ami után milliónyi, 800 bázispár hosszúságú rövid fragmentumból rekonstruálható a genom. Mind az állami, mind a magánprojektek sikere egy új, jobban automatizált kapilláris DNS-szekvenáló gépen, az ún. Applied Biosystems 3700. A DNS-szálakat egy szokatlanul vékony kapilláris csövön vezette át, nem pedig egy lapos gélen keresztül, ahogyan a szekvenálók korábbi modelljeinél tették. Még kritikusabb volt egy új, nagyobb genom-összeállító program kifejlesztése, egy olyan összeszerelő, amely képes kezelni a teljes emberi genom szekvenálásához szükséges 30-50 millió szekvenciát. Ekkor még nem létezett ilyen program. A Celera Genomics egyik első nagy projektje ennek az assemblernek a kifejlesztése volt, amely párhuzamosan készült egy nagy, nagymértékben automatizált genomszekvenáló gyár létrehozásával. Az összeszerelő fejlesztését Brian Ramos irányításával végezték. Brian Ramos). Az első verzió 2000-ben jelent meg, amikor a Celera csapata összefogott Gerald Rubin professzorral, hogy genomfragmentáció segítségével megszekvenálják a Drosophila melanogaster gyümölcslégy genomját. A program 130 millió bázispár összegyűjtésével legalább 10-szer több adatot dolgozott fel, mint bármely korábban egy genom fragmentációs módszer eredményeiből gyűjtött adat. Egy évvel később a Celera csapata közzétette az emberi genom hárommilliárd bázispárjának összeállítását.

Hogyan sikerült elérni az eredményeket

Az egyes humán kromoszómák szekvenciáinak helyes összeállításának orientálására és ellenőrzésére az IHGSC végfragment szekvenálást használt a genomfragmentációval nyert nagy (körülbelül 100 kb) plazmidklónok feltérképezésével kombinálva, és alkalmazta a kisebb szubklónok fragmentálásának módszerét is. ugyanazok a plazmidok, valamint sok más adat.

A Celera csoport megértette a genom fragmentációs módszer fontosságát, és magát a szekvenciát is felhasználta a szekvenált fragmentumok megcélzására és a kromoszómán belüli helyes helyének megtalálására. A cég azonban a Humán Genom Projekt nyilvánosan elérhető adatait is felhasználta az összeállítási és tájékozódási folyamat ellenőrzésére, ami megkérdőjelezte adatai függetlenségét.

Genom donorok

A multinacionális Human Genome Project (HGP) keretében az IHGSC kutatói nagyszámú donortól vettek vért (női) és spermamintát (férfiakból). Az összegyűjtött minták közül csak néhány vált DNS-forrássá. Így a donorok kilétét elrejtették, így sem a donorok, sem a tudósok nem tudhatták, kinek a DNS-ét szekvenálták. A projekt során számos DNS-klónt használtak különböző könyvtárakból. A legtöbb ilyen könyvtárat Dr. Peter de Hong hozta létre. Pieter J. de Jong). Informálisan beszámoltak róla, és jól ismert a genetikai közösségben, hogy a kormányzati projekt DNS-ének nagy része egyetlen névtelen donortól, egy buffalói férfitól származik (kódneve RP11).

A Celera Genomics projekt öt különböző ember DNS-ét használta fel a szekvenáláshoz. Craig Venter, a Celera Genomics akkori tudományos igazgatója később elismerte (a Science-nek írt nyilvános levélben), hogy az ő DNS-e az egyike volt a gyűjteményben lévő 21 mintának, amelyek közül ötöt választottak ki a projektben való felhasználásra.

2007. szeptember 4-én egy Craig Venter vezette csapat közzétette saját DNS-ének teljes szekvenciáját, első ízben derítve fel egyetlen egyed hatmilliárd nukleotidból álló genomszekvenciáját.

Kilátások

A genomadatok értelmezésével kapcsolatos munka még korai szakaszában jár. Várhatóan az emberi genom részletes ismerete új utakat nyit majd az orvostudomány és a biotechnológia fejlődéséhez. A projekt egyértelmű gyakorlati eredményei már a munka befejezése előtt megjelentek. Számos vállalat, mint például a Myriad Genetics, elkezdett olyan egyszerű módszereket kínálni olyan genetikai tesztek elvégzésére, amelyek kimutathatják a különböző betegségekre való hajlamot, beleértve a mellrákot, a vérzési rendellenességeket, a cisztás fibrózist, a májbetegséget és még sok mást. Az is várható, hogy az emberi genommal kapcsolatos információk segíteni fognak a rák, az Alzheimer-kór és más, klinikai jelentőséggel bíró területek okainak felkutatásában, és valószínűleg jelentős előrelépéshez vezethetnek a jövőben a kezelésükben.

A biológusok számára is sok hasznos eredmény várható. Például a rák egy bizonyos formáját tanulmányozó kutató szűkítheti keresését egyetlen génre. A Humán Genom Adatbázis online meglátogatásával a kutató ellenőrizheti, mit írtak más tudósok arról a génről, beleértve a származékfehérje (potenciálisan) háromtagú szerkezetét, funkcióját, evolúciós kapcsolatát más emberi génekkel vagy egerekben lévő génekkel. vagy élesztő vagy Drosophila, lehetséges káros mutációk, kapcsolatok más génekkel, testszövetek, amelyekben a gén aktiválódik, ezzel a génnel kapcsolatos betegségek vagy egyéb adatok.

Ezenkívül a betegség folyamatának mélyreható ismerete a molekuláris biológia szintjén új terápiás kezeléseket kínálhat. Tekintettel a DNS megalapozott fontosságára a molekuláris biológiában és központi szerepére a sejtfolyamatok alapvető működési elveinek meghatározásában, valószínű, hogy az ezen a területen megnövekedett ismeretek elősegítik az orvostudomány fejlődését különböző klinikai jelentőségű területeken, amelyek nélküle nem lennének lehetségesek.

A különböző organizmusok DNS-szekvenciáinak hasonlóságainak elemzése új utakat nyit az evolúcióelmélet tanulmányozásában is. Az evolúció kérdéseit sok esetben a molekuláris biológia keretei között lehet megfogalmazni. Valóban, az evolúció történetének számos legfontosabb mérföldköve (a riboszóma és az organellumok megjelenése, az embrió fejlődése, a gerincesek immunrendszere) molekuláris szinten nyomon követhető. Várhatóan ez a projekt számos kérdésre fényt derít az emberek és legközelebbi rokonaink (főemlősök, sőt minden emlős) közötti hasonlóságokra és különbségekre vonatkozóan.

A Humán Genom Diverzitás Projekt (HGDP) egy külön tanulmány, amelynek célja az etnikai csoportok között eltérő DNS-régiók feltérképezése, a pletykák szerint felfüggesztették, de valójában folyamatban van, és jelenleg újabb eredményeket gyűjt. A jövőben a HGDP valószínűleg képes lesz új adatokat generálni a betegségek elleni küzdelem, az emberi fejlődés és az antropológia területén. A HGDP felfedheti az etnikai csoportok bizonyos betegségekkel szembeni sebezhetőségének titkait, és új stratégiákat javasolhat ezek leküzdésére (lásd: Faj és egészség). Azt is megmutathatja, hogy az emberi populációk hogyan alkalmazkodtak ezekhez a betegségekhez.

Linkek

Külső hivatkozások

• Delaware Valley Personalized Medicine Project – a Human Genome Project adatait használja fel az orvostudomány személyre szabottabbá tételére;
• Nemzeti Humán Genom Kutató Intézet (NHGRI) – Az NHGRI vezette a projektet az Országos Egészségügyi Intézetben. Ez a projekt, amelynek fő célja az emberi genomot alkotó hárommilliárd bázispár szekvenálása volt, 2003 áprilisában sikeresen lezárult.