Kymmenen vuotta sitten kansainvälinen tutkimusryhmä sai aikaan kunnianhimoisen työn lukea jokaisesta ihmisen solusta löytyvät 3 miljardia geenitiedon kirjainta. Ohjelma, joka tunnetaan nimellä Human Genome Project, antoi suunnitelman ihmisen elämälle, saavutukseksi, jota on verrattu ihmisen laskeutumiseen kuuhun.
Dr. Eric D. Green oli mukana alusta lähtien, jalostaa joitain hankkeessa käytettyjä tärkeimpiä tekniikoita. Tuolloin hän oli jatkotutkijatoveri ja patologian asukas Washingtonin yliopistossa St. Louisissa. Hän veisteli viisi prosenttia genomistaan keskittyen kromosomin 7 DNA: n kartoittamiseen. Green on tänään National Human Genome Research Institute -direktiivin johtaja, joka edistää ihmisen genomin ymmärtämistä genomitutkimuksen avulla.
Palatkaamme takaisin 1980-luvun puoliväliin, jolloin ajatus Human Genome -projektista oli alun perin suunniteltu. Mikä oli motivaatio tuolloin?
Se riippuu siitä, ketä kysyt. Eri ihmisillä oli erilaisia motivaatioita. Muista, että 70-luku ja 80-luvun alkupuolella olivat molekyylibiologian vallankumouskausi. Menetelmissä saavutettiin merkittävää edistystä, jonka avulla voimme eristää ja tutkia DNA: ta laboratoriossa.
Esimerkiksi Yhdysvalloissa energiaministeriö kiinnostui hyvin genomin tutkimisesta, koska kiinnostuksena oli mutaatio, ja mutaatioprosessissa, joka liittyy tiettyihin energian muotoihin, kuten ydinenergia.
Jos menet sellaisiin paikkoihin, kuten National Health Institutes, tai katsot biolääketieteellisiä tutkijoita ja terveyteen liittyviä tutkijoita, he olivat erittäin kiinnostuneita kyvystä selvittää sairauden geneettinen perusta. Niistä monista geneettisistä sairauksista, joita harkittiin, oli tietysti syöpä.
Monet muut lääketieteellisen lääketieteellisen tutkimuksen piiristä - jopa malli-organismeihin, kuten kärpäsiin, matoihin ja hiivaan - työskentelevät ymmärsivät, että jos voisimme selvittää, kuinka kokonaisvaltaisesti tarkastellaan monimutkaisia genomeja, aloittaen kärpäsistä, matoista ja hiivasta, mutta työskentelemällä sitten tie ihmisiin asti, se tarjoaisi perustietoa genomin toiminnan ymmärtämiseen.
Oli olemassa monien erilaisten ideoiden yhdistäminen, joiden taustalla oli inkrementaalinen, mutta tärkeä tekninen kehitys, ja näytti siltä, että ihmisen genomin sekvensoinnin ja 3 miljardin kirjeen järjestyksen määrittämisen ongelma oli kuitenkin pelottava.
Mistä genomihankkeen materiaali tuli? Kenen genomi se oli?
Kun genomihanke alkoi, se oli silti melko hajanainen. Eri ihmiset tekivät erilaisia kokoelmia ja DNA-fragmentteja, joita kutsuttiin kirjastoiksi, jotka ovat vain kloonattuja DNA-kappaleita. He tekisivät sen mistä tahansa: Joskus se olisi laboratorion pää, toisinaan tohtorintutkija tai grad opiskelija. He vain tarttisivat DNA: ta silloin, kun siihen ei todellakaan ollut vaikutuksia.
Mutta kun sitten vihdoin tuli aika tehdä kirjastot, joita käytettiin ihmisen perimän sekvensointiin Human Genome Project -projektin avulla, henkilö, joka oli paras henkilö näiden kirjastojen tekemiseen, oli tutkija, joka työskenteli Roswell Parkin syöpäinstituutissa Buffalossa, New Yorkissa. [Ryhmä] sai tietoisen suostumuksen noin 10 tai 20 tuntemattomalta verenluovuttajalta ja valitsi yhden satunnaisesti heistä, ja se oli henkilö. Noin 60 prosenttia ihmisen genomisekvenssistä, jonka Human Genome Project tuotti, oli yhdestä verenluovuttajasta Buffalossa, New Yorkissa.
Mutta tiedät mitä, sillä ei ole väliä. Jos siirryt ihmisgenomiprojektin tuottamaan ihmisen genomisekvenssiin, se on kuin mosaiikki. Saatat käydä satatuhatta kirjainta ja voi olla, että yksi henkilö, Buffalosta. Voi päätyä siihen, että lähdet seuraavaan sataantuhanteen ja se on joku muu. Ja seuraavat satatuhatta, joku muu. Kaikki tämä toimi referenssinä. Ja koska kaikki ihmiset ovat sekvenssitasolla 99, 9 prosenttia identtisiä, ensimmäisen sekvenssin ei tarvitse olla todellinen henkilö. Se voi olla vain henkilön hypoteettinen viittaus.
Kaikista näistä tiedoista miksi valitsit keskittyä kromosomiin 7 [ihmisen genomissa on 23 kromosomia]?
Se oli melko mielivaltaista. Halusimme valita kromosomin, joka ei ollut liian suuri. Emme halunneet valita yhtä, joka olisi liian pieni. Tiesimme, että siellä tulee olemaan paljon työtä, joten valitsimme keskikokoisen kromosomin.
Emme halunneet valita sellaista, jonka parissa työskenteli jo paljon ihmisiä. Silloin tunnetuin kromosomin 7 geeni oli kystinen fibroosigeeni, ja se löydettiin vuonna 1989. Ja olimme tosiasiallisesti eristäneet osan tästä alueesta ja teimme joitain tutkimuksia pilottimaisella tavalla.
Totuus on, että valitsimme sen, koska se ei ollut liian iso, ei liian pieni eikä liian tungosta. Se oli mielivaltainen tapa aloittaa; genomiprojektin päättyessä suurin osa tutkimuksista oli tehty genomin laajuisesti.
Kuinka työ muuttui projektin elinaikana?
Koko genomiikan tarina on osa teknologian kehitystä. Jos jäljität missä valtavat edistysaskeleet tapahtuivat, jokaiselle niistä liittyi tekniikan nousua. Genomiprojektin varhaisessa vaiheessa nousu tapahtui siinä, että meillä oli parempia tapoja eristää suuria DNA-kappaleita.
Kun sekvensoimme pienempiä organismien genomeja - kuten Drosophila- hedelmäkärpäsiä -, teollistimme periaatteessa sekvensointiprosessin tekemällä siitä yhä enemmän automatisoitua.
Kun genomiprojekti alkoi, ajatus oli ”Järjestyskärpästen, madojen ja hiivan, kaikkien näiden pienempien organismien genomit päivämenetelmällä”, jonka Fred Sanger kehitti vuonna 1977. Ideana olivat ne ei työntäisi kiihdytinta aloittamaan ihmisen genomin sekvensointi, kunnes uusi vallankumouksellinen sekvensointimenetelmä tuli saataville. Joten oli paljon pyrkimyksiä kehittää uusia hulluja tapoja sekvensoida DNA.
Kun tuli aika, noin vuonna 1997 tai 1998, ajatella todella ihmisen perimän sekvenssin aloittamista, kaikki sanoivat: ”Ehkä meidän ei tarvitse odottaa vallankumouksellista menetelmää, ehkä olemme asteittain parantaneet vanhanaikaista menetelmää hyvin tarpeeksi, että sitä voidaan käyttää ”, ja juuri niin päätettiin.
Genomiprojektin jälkeen genomiikan kasvot ovat kuitenkin muuttaneet mullistavia uusia sekvensointitekniikoita, jotka vihdoin tulivat näyttämölle noin vuoteen 2005 mennessä.
Kuinka nämä parannukset ovat muuttaneet sekvensoinnin kustannuksia ja aikoja?
Ihmisen genomiprojekti kesti kuusi-kahdeksan vuotta aktiivista sekvensointia ja aktiivisen sekvensoinnin suhteen he käyttivät noin miljardia dollaria ihmisen ensimmäisen genomisekvenssin tuottamiseen. Päivänä, kun genomiprojekti päättyi, kysyimme sekvensointiryhmiltämme “Hyvä on, jos aiot mennä sekvensoimaan toisen ihmisen genomin, hypoteettisesti, kuinka kauan se kestää ja kuinka paljon se maksaa?” Kirjekuoren takaosan kanssa. He sanoivat: "Vau, jos antaisit meille vielä 10–50 miljoonaa dollaria, voisimme todennäköisesti tehdä sen kolmesta neljään kuukauteen."
Mutta nyt, jos menet sinne, missä olemme tänään, voit järjestää ihmisen perimän noin päivässä tai kahdessa. Tämän vuoden loppuun mennessä on noin päivä. Ja se maksaa vain noin 3 000–5 000 dollaria.
Mitkä olivat tärkeimmät havainnot ensimmäisestä genomista ja sitä seuranneista?
On uusia löytöjä, jotka tulevat päivittäin. Ensimmäisen kymmenen vuoden aikana, kun meillä on ollut ihmisen genomisekvenssi, mielestäni päivittäin keräämme enemmän ja enemmän tietoa siitä, miten ihmisen perimä toimii. Meidän on kuitenkin tunnustettava, että jopa kymmenen vuoden kuluttua olemme tulkitsemassa tätä jaksoa vasta alkuvaiheessa. Vuosikymmenien kuluttua tulkitsemme ja tulkitsemme sen edelleen.
Jotkut varhaisimmista asioista, jotka olemme oppineet, esimerkiksi: Meillä on paljon vähemmän geenejä kuin jotkut ihmiset olivat ennustaneet. Kun perimä alkoi, monet ihmiset ennustivat, että ihmisillä olisi todennäköisesti 100 000 geeniä ja että heillä olisi huomattavasti enemmän geenejä kuin muilla organismeilla, etenkin yksinkertaisemmilla organismeilla. Osoittautuu, että se ei ole totta. Osoittautuu, että meillä on paljon pienempi geeninumero. Itse asiassa olemme todennäköisesti enemmän kuin 20 000 geeniä. Ja se on vain muutama tuhat enemmän kuin kärpäsiä ja matoja. Joten monimutkaisuutemme ei ole geenimäärissämme. Monimutkaisuutemme on muualla.
Toinen yllätys tuli, kun aloimme sekvensoida muita nisäkkäitä - etenkin hiiren genomia, rotan genomia, koiran perimää ja niin edelleen, ja tähän mennessä olemme sekvensoineet 50, 60, 70 tällaista genomia. Rivität nämä genomisekvenssit tietokoneeseen ja katsot näkeväsi, missä ovat sekvenssit, jotka ovat erittäin konservoituneita, toisin sanoen kymmenien miljoonien vuosien evoluutioaikana, missä sekvenssit eivät ole muuttuneet ollenkaan. Hyvin, erittäin evoluutio-konservoituneet sekvenssit osoittavat melkein varmasti toiminnallisille sekvensseille. Nämä ovat asioita, joita elämä ei halua muuttaa, joten he pitävät ne samanlaisina, koska tekevät joitain biologian kannalta välttämättömiä perustavanlaatuisia toimintoja. Siirryttäessä genomiprojektiin ajattelimme, että suurin osa toiminnallisesti tärkeimmistä konservoituneimmista alueista tulee geeneihin - genomin osiin, jotka koodaavat suoraan proteiineja. Osoittautuu, että suurin osa erittäin konservoituneista ja väistämättä toiminnallisista sekvensseistä ei ole proteiinia koodaavilla alueilla; ne ovat geenien ulkopuolella.
Joten mitä he tekevät? Emme tiedä niitä kaikkia. Mutta tiedämme, että monet niistä ovat pohjimmiltaan piirikytkimiä, kuten himmentimen kytkimiä valolle, jotka määrittävät missä ja milloin ja kuinka paljon geeni kytkeytyy päälle. Se on paljon monimutkaisempaa ihmisissä kuin alempien organismien, kuten kärpästen ja matojen, suhteen. Joten biologinen monimutkaisuus ei ole niin paljon geenimäärissämme. Juuri monimutkaisissa kytkimissä, kuten himmentimen kytkimissä, säädetään missä, milloin ja kuinka paljon geenejä kytketään päälle.
Mitä meillä on jäljellä selvittää?
Kun ajatellaan genomin toimintaa, ajatellaan sitä, miten se toimii yleisesti meille kaikille. Mutta toinen suuri painopiste genomiikassa - etenkin viimeisen 10 vuoden aikana - on ymmärtää, kuinka genomimme ovat erilaisia. Joten siellä voit korostaa 0, 1 prosenttia genomistamme, jotka ovat erilaisia toisiinsa verrattuna, ja kuinka nuo erot johtavat erilaisiin biologisiin prosesseihin. Joten, variaation ymmärtäminen on erittäin, erittäin tärkeää, ja sen jälkeen sen korrelointi eri seurauksiin, joista sairaus on tärkeä osa.
Siellä on tapahtunut merkittäviä, todella todella merkittäviä edistysaskeleita. Tiedämme nyt melkein 5000 harvinaisen geneettisen sairauden genomisen perustan. Genomiprojektin alkaessa oli vain muutama kymmenen sairautta, joista ymmärsimme, mutaatio aiheutti kyseisen taudin. Se on valtava ero. Tiedämme nyt monia, satoja ja satoja ihmisgenomin alueita, jotka sisältävät muunnoksia - emme vielä tiedä, mitä variantteja - jotka antavat riskin monimutkaisemmille geneettisille sairauksille, kuten verenpainetauti ja diabetes ja astma, sydän- ja verisuonitaudit ja niin edelleen .
Olemme menettäneet täydellisen tiedon puuttumisen siitä, mistä etsiä genomia noille muunnelmille, nyt niille, joilla on nyt hyvin erillisiä alueita tutkittavaksi. Joten tämä on nyt genomiikassa suuri painotus, yritetään ymmärtää mitkä variantit ovat merkityksellisiä sairaudelle ja mitä tehdä heille.
