Dziesięć lat temu międzynarodowy zespół badawczy podjął ambitny wysiłek, aby przeczytać 3 miliardy liter informacji genetycznej znalezionej w każdej ludzkiej komórce. Program, znany jako Human Genome Project, dostarczył plan dla ludzkiego życia, osiągnięcie, które porównano do lądowania człowieka na Księżycu.
Dr Eric D. Green był zaangażowany od samego początku, dopracowując niektóre kluczowe technologie zastosowane w projekcie. W tym czasie był doktorem habilitowanym i rezydentem patologii na Washington University w St. Louis. Wyrzeźbił swoje 5 procent genomu, koncentrując się na mapowaniu DNA chromosomu 7. Dziś Green jest dyrektorem National Human Genome Research Institute, który rozwija badania nad genomem ludzkim poprzez badania genomiczne.
Wróćmy do połowy lat 80., kiedy po raz pierwszy wymyślono projekt Human Genome Project. Jaka była wówczas motywacja?
To zależy od kogo zapytasz. Różni ludzie mieli różne motywacje. Należy pamiętać, że lata 70. i wczesne 80. były erą rewolucji w biologii molekularnej. Nastąpił znaczny postęp w metodach, które pozwoliły nam wyizolować i zbadać DNA w laboratorium.
Na przykład w USA Departament Energii bardzo zainteresował się badaniem genomu z powodu zainteresowania mutacją i procesem mutacji związanym z niektórymi formami energii, takimi jak energia jądrowa.
Jeśli wybierasz się do takich miejsc jak National Institutes of Health lub patrzysz na badaczy biomedycznych i badaczy związanych ze zdrowiem, byli bardzo zainteresowani wyjaśnieniem genetycznych podstaw choroby. Wśród wielu chorób genetycznych, które rozważano, był oczywiście rak.
Wiele innych osób z całego spektrum badań biomedycznych - nawet tych, które pracują na organizmach modelowych, takich jak muchy, robaki i drożdże - uznało, że jeśli uda nam się kompleksowo spojrzeć na złożone genomy, zaczynając od much i robaków i drożdży, ale potem pracujemy w drodze do ludzi dostarczyłoby podstawowych informacji umożliwiających zrozumienie działania genomu.
Nastąpiła koalescencja wielu różnych pomysłów, które na tle stopniowego, ale ważnego postępu technologicznego sprawiły, że wydawało się, iż w trakcie zniechęcania problem sekwencjonowania ludzkiego genomu i ustalenia kolejności 3 miliardów liter był możliwy.
Skąd wziął się materiał do projektu genomu? Czyj to był genom?
Kiedy rozpoczął się projekt genomu, wciąż był dość fragmentaryczny. Różni ludzie robili różne kolekcje i fragmenty DNA zwane bibliotekami, które są po prostu klonowanymi fragmentami DNA. Zrobiliby to od kogokolwiek: czasami byłby to szef laboratorium, a czasem byłby doktorant lub student. Chwyciliby wtedy DNA, kiedy naprawdę nie było tego żadnych implikacji.
Ale kiedy wreszcie nadszedł czas, aby stworzyć biblioteki, które miały zostać wykorzystane do sekwencjonowania ludzkiego genomu przez Human Genome Project, osobą, która była najlepszą osobą do stworzenia tych bibliotek, był naukowiec, który pracował w Roswell Park Cancer Institute w Buffalo, Nowy Jork. [Zespół] otrzymał świadomą zgodę od około 10 lub 20 anonimowych dawców krwi, a następnie wybrał losowo jednego z nich, i to była ta osoba. Około 60 procent sekwencji ludzkiego genomu wygenerowanej przez Human Genome Project pochodzi od jednego dawcy krwi w Buffalo w stanie Nowy Jork.
Ale wiesz co, to nie ma znaczenia. Jeśli przejdziesz przez sekwencję ludzkiego genomu wygenerowaną przez Human Genome Project, będzie to jak mozaika. Możesz wybrać sto tysięcy listów i może to być jedna osoba z Buffalo. Może się zdarzyć, że przejdziesz następne sto tysięcy i będzie to ktoś inny. I kolejne sto tysięcy, ktoś inny. Wszystko, co służyło, było odniesieniem. A ponieważ wszyscy ludzie są w 99, 9 procentach identyczni na poziomie sekwencji, ta pierwsza sekwencja nie musi być prawdziwą osobą. Może to być jedynie hipotetyczne odniesienie do osoby.
Z tych wszystkich informacji, dlaczego zdecydowałeś się skupić na chromosomie 7 [ludzki genom ma 23 chromosomy]?
To było trochę arbitralne. Chcieliśmy wybrać chromosom, który nie był zbyt duży. Nie chcieliśmy wybierać zbyt małego. Wiedzieliśmy, że będzie dużo pracy, więc wybraliśmy chromosom średniej wielkości.
Nie chcieliśmy wybierać takiego, w którym pracuje już wiele osób. W tym momencie najbardziej znanym genem na chromosomie 7 był gen mukowiscydozy, który został odkryty w 1989 r. I tak naprawdę wyizolowaliśmy część tego regionu i przeprowadziliśmy badania w sposób pilotażowy.
Prawda jest taka, że wybraliśmy go, ponieważ nie był zbyt duży, nie był zbyt mały i nie był zbyt zatłoczony. To był dowolny sposób na rozpoczęcie; do czasu zakończenia projektu genomu większość badań była przeprowadzana na całym genomie.
Jak zmieniła się praca w trakcie realizacji projektu?
Cała historia genomiki dotyczy rozwoju technologii. Jeśli prześledzisz, gdzie dokonano ogromnych postępów, każdy z nich był powiązany z gwałtownym wzrostem technologii. Na początku projektu genomu nastąpił gwałtowny wzrost, że mieliśmy lepsze sposoby izolowania dużych kawałków DNA.
Kiedy sekwencjonowaliśmy genomy mniejszych organizmów - takie jak muszki owocowe Drosophila - w zasadzie uprzemysłowiliśmy proces sekwencjonowania, czyniąc go coraz bardziej zautomatyzowanym.
Kiedy rozpoczął się projekt genomu, pomysł brzmiał: „Zsekwencjonujmy genomy much, robaków i drożdży, wszystkich tych mniejszych organizmów, stosując metodę dnia”, która była tą metodą opracowaną przez Freda Sangera w 1977 roku. nie naciskałby na akcelerator, aby zaczął sekwencjonować ludzki genom, dopóki nie pojawi się nowa rewolucyjna metoda sekwencjonowania. Było więc wiele wysiłków, aby opracować nowe szalone sposoby sekwencjonowania DNA.
Kiedy przyszedł czas, około 1997 lub 1998 r., Na zastanowienie się nad rozpoczęciem sekwencjonowania ludzkiego genomu, wszyscy powiedzieli: „Może nie musimy czekać na rewolucyjną metodę, może stopniowo poprawiliśmy dobrze staromodną metodę wystarczająco dużo, aby można było z niego korzystać ”i rzeczywiście o tym zadecydowano.
To powiedziawszy, od czasu projektu genomu rzeczą, która zmieniła oblicze genomiki, były rewolucyjne nowe technologie sekwencjonowania, które w końcu pojawiły się na scenie około 2005 roku.
Jak te ulepszenia zmieniły koszt i czas potrzebny na sekwencjonowanie?
Projekt Human Genome zajął od sześciu do ośmiu lat aktywnego sekwencjonowania, a pod względem aktywnego sekwencjonowania wydał około miliarda dolarów na wyprodukowanie pierwszej ludzkiej sekwencji genomu. W dniu, w którym zakończył się projekt genomu, zapytaliśmy nasze grupy sekwencjonujące: „W porządku, jeśli zamierzacie sekwencjonować drugi ludzki genom, hipotetycznie, ile to zajmie i ile to będzie kosztowało?” Z tyłu koperty obliczenia, powiedzieli: „Wow, gdybyś dał nam kolejne 10 do 50 milionów dolarów, prawdopodobnie moglibyśmy to zrobić w ciągu trzech do czterech miesięcy”.
Ale teraz, jeśli pójdziesz do miejsca, w którym jesteśmy dzisiaj, możesz sekwencjonować ludzki genom za około dzień lub dwa. Do końca tego roku będzie to około dnia. I będzie kosztować tylko około 3000 do 5000 dolarów.
Jakie były główne odkrycia z pierwszego genomu i następujących po nim?
Codziennie pojawiają się nowe odkrycia. Myślę, że w ciągu pierwszych 10 lat posiadania ludzkiej sekwencji genomu na co dzień gromadzimy coraz więcej informacji o tym, jak działa ludzki genom. Powinniśmy jednak uznać, że nawet za 10 lat jesteśmy na wczesnym etapie interpretacji tej sekwencji. Po dziesięcioleciach nadal będziemy to interpretować i reinterpretować.
Niektóre z najwcześniejszych rzeczy, których się nauczyliśmy, na przykład: Mamy o wiele mniej genów, niż niektórzy przewidywali. Kiedy genom się zaczął, wiele osób przewidywało, że ludzie prawdopodobnie mieli 100 000 genów i mieliby znacznie więcej genów niż inne organizmy, szczególnie organizmy prostsze. Okazuje się, że to nieprawda. Okazuje się, że jesteśmy znacznie niższą liczbą genów. W rzeczywistości jesteśmy prawdopodobnie około 20 000 genów. A to tylko kilka tysięcy więcej niż muchy i robaki. Więc nasza złożoność nie jest zawarta w liczbie genów. Nasza złożoność jest gdzie indziej.
Kolejna niespodzianka nadeszła, gdy zaczęliśmy sekwencjonować inne ssaki - w szczególności genom myszy, genom szczura, genom psa i tak dalej, i do tej pory zsekwencjonowaliśmy 50, 60, 70 takich genomów. Ustawiasz te sekwencje genomu w komputerze i patrzysz, gdzie są sekwencje, które są bardzo zachowane, innymi słowy w ciągu dziesiątek milionów lat ewolucji, gdzie sekwencje w ogóle się nie zmieniły. Bardzo wysoce ewolucyjne sekwencje konserwowane prawie na pewno wskazują na sekwencje funkcjonalne. Są to rzeczy, których życie nie chce zmieniać, dlatego zachowują je tak samo, ponieważ wykonują jakąś istotną fundamentalną funkcję niezbędną dla biologii. Wchodząc do projektu genomu, myśleliśmy, że większość tych najbardziej zachowanych regionów, które były funkcjonalnie ważne, znajdowały się w genach - częściach genomu, które bezpośrednio kodują białka. Okazuje się, że większość najbardziej konserwatywnych i nieuchronnie funkcjonalnych sekwencji nie znajduje się w regionach kodujących białka; są poza genami.
Co oni robią? Nie znamy ich wszystkich. Ale wiemy, że wiele z nich to w zasadzie przełączniki obwodu, takie jak ściemniacze światła, które określają, gdzie, kiedy i ile genów zostanie włączony. Jest znacznie bardziej skomplikowany u ludzi niż w organizmach niższych, takich jak muchy i robaki. Nasza złożoność biologiczna nie jest tak bardzo związana z liczbą genów. Jest w złożonych przełącznikach, takich jak przełączniki przyciemniające, które regulują, gdzie, kiedy i ile genów się włącza.
Co nam jeszcze zostało do zrozumienia?
Kiedy myślisz o tym, jak działa genom, myślisz o tym, jak działa on powszechnie dla nas wszystkich. Ale innym dużym naciskiem w genomice - szczególnie w ciągu ostatnich 10 lat - jest zrozumienie, w jaki sposób nasze genomy są różne. Tutaj możesz podkreślić 0, 1% naszych genomów, które różnią się od siebie i jak te różnice prowadzą do różnych procesów biologicznych. Zatem zrozumienie zmienności jest bardzo, bardzo ważne, a następnie skorelowanie tej zmienności z różnymi konsekwencjami, których choroba jest jej główną częścią.
Nastąpiły niezwykłe, po prostu naprawdę niezwykłe postępy. Znamy teraz genomową podstawę prawie 5000 rzadkich chorób genetycznych. Kiedy rozpoczął się projekt genomu, było tylko kilkadziesiąt chorób, dla których zrozumieliśmy, co mutacja powoduje tę chorobę. To ogromna różnica. Znamy teraz wiele setek regionów ludzkiego genomu, które zawierają warianty - jeszcze nie wiemy, które warianty - które niosą ryzyko bardziej skomplikowanych chorób genetycznych, takich jak nadciśnienie i cukrzyca i astma, choroby układu krążenia i tak dalej .
Przeszliśmy od całkowitego braku wiedzy na temat tego, gdzie szukać genomu dla tych wariantów, do posiadania teraz bardzo dyskretnych regionów do oglądania. Jest to więc duży nacisk w genomice, próbuje zrozumieć, które warianty są istotne dla choroby i co z nimi zrobić.
