Преди десетилетие международен изследователски екип завърши амбициозни усилия да прочете 3 милиарда писма генетична информация, открита във всяка човешка клетка. Програмата, известна като Проект на човешкия геном, предостави плана за човешкия живот, постижение, което е сравнено с кацането на човек на Луната.
Д-р Ерик Д. Грийн е участвал от самото начало, усъвършенствайки някои от ключовите технологии, използвани в проекта. По това време той е докторантура и резидент по патология във Вашингтонския университет в Сейнт Луис. Той изсече своите 5 процента от генома, като се съсредоточи върху картографирането на ДНК на хромозома 7. Днес Грийн е директор на Националния изследователски институт за човешкия геном, който напредва в разбирането на човешкия геном чрез изследвания на геномиката.
Да се върнем към средата до края на 80-те години на миналия век, когато идеята за проекта за човешкия геном беше замислена за първи път. Каква беше мотивацията по това време?
Зависи кого питаш. Различните хора имаха различни мотивации. Имайте предвид, че 70-те и началото на 80-те бяха ерата на молекулярната биология. Имаше значителен напредък в методите, които ни позволиха да изолираме и изучим ДНК в лабораторията.
В САЩ например Министерството на енергетиката силно се заинтересува от идеята за изучаване на генома поради интерес към мутацията и мутационния процес, свързан с някои форми на енергия, като например ядрената енергия.
Ако отидете на места като Националните здравни институти или погледнете биомедицински изследователи и свързани със здравето изследователи, те бяха много заинтересовани да могат да изяснят генетичната основа на заболяването. Сред многото генетични заболявания, които се разглеждаха, разбира се, беше ракът.
Много други хора от биомедицинския изследователски спектър - дори и тези, които работят върху моделни организми, като мухи и червеи и дрожди - признаха, че ако можем да измислим как да разгледаме комплексно геномите, като започнем с мухите и червеите и дрождите, но след това работим по пътя ни към хората, той ще предостави основополагаща информация за разбиране как работи геномът.
Имаше съвкупност от много различни идеи, които с фона на постепенно, но важно технологично развитие направиха впечатление, че макар да е обезсърчаващ, проблемът с последователността на човешкия геном и определянето на реда от 3 милиарда букви е осъществим.
Откъде дойде материалът за проекта за генома? Чий геном беше?
Когато проектът за генома започна, той все още беше доста парчен. Различни хора правеха различни колекции и фрагменти от ДНК, наречени библиотеки, които са просто парчета от ДНК клонирани. Те биха го направили от когото и да било: Понякога това е ръководителят на лабораторията, понякога това е докторантът или студентът. Те просто биха грабнали ДНК тогава, когато наистина нямаше последици от това.
Но тогава, когато най-накрая дойде време да направим библиотеките, които щяха да бъдат използвани за секвениране на човешкия геном от проекта за човешкия геном, човекът, който беше най-добрият човек за създаването на тези библиотеки, беше учен, който работи в Института за рак в парк Розуел в Бъфало, Ню Йорк. [Екипът] получи информирано съгласие от около 10 или 20 анонимни кръводарители и след това избра произволно един от тях и това беше лицето. Около 60 процента от последователността на човешкия геном, генерирана от проекта за човешкия геном, е от един кръводарител в Бъфало, Ню Йорк.
Но, знаете какво, няма значение. Ако преминете през последователността на човешкия геном, генерирана от проекта за човешкия геном, това е като мозайка. Може да отидете за сто хиляди писма и може би това е един човек, от Бивол. Може да се окаже, че ще отидете следващите сто хиляди и ще е някой друг. И следващите сто хиляди, някой друг. Всичко, което служи като справка. И тъй като всички хора са 99, 9 процента идентични на ниво последователност, тази първа последователност не трябва да е истинска личност. Това може просто да е хипотетична справка за човек.
От цялата тази информация защо избрахте да се съсредоточите върху хромозома 7 [човешкият геном има 23 хромозоми]?
Беше някак произволно. Искахме да вземем хромозома, която не беше твърде голяма. Не искахме да изберем един, който беше твърде малък. Знаехме, че ще има много работа, затова избрахме хромозома със средна големина.
Не искахме да изберем такъв, в който вече работят много хора. В този момент най-известният ген на хромозома 7 беше генът за муковисцидоза и това беше открито през 1989 г. И всъщност бяхме изолирали част от този регион и правехме някои проучвания по пилотен начин.
Истината е, че го избрахме, защото не беше твърде голям, не беше твърде малък и не беше твърде пренаселен. Това беше произволен начин да започнете; по времето, когато проектът за генома приключи, повечето проучвания се правеха в геном.
Как работата се промени през целия живот на проекта?
Цялата история на геномиката е една от технологичните разработки. Ако проследите къде бяха направени огромните постижения, всеки един от тях беше свързан с скокове на технологиите. В началото на проекта за генома се стигна до това, че имаме по-добри начини за изолиране на големи парчета ДНК.
Когато разделяхме по-малки геноми на организма - като плодови мухи Drosophila - ние основно индустриализирахме процеса на извършване на секвениране, правейки го все повече и повече и по-автоматизиран.
Когато проектът за генома започна, идеята беше: „Нека да последоваем геномите на мухи, червеи и дрожди, всички тези по-малки организми, използвайки метода на деня“, който беше този метод, разработен от Фред Сангер през 1977 г. Идеята беше те няма да натисне ускорителя да започне последователността на човешкия геном, докато не се появи нов революционен метод за секвениране. Така че имаше много усилия за разработване на нови луди начини за секвениране на ДНК.
Когато дойде време, около 1997 или 1998 г., всъщност да помислим за започване на последователност на човешкия геном, всички казаха: „Може би няма нужда да чакаме революционен метод, може би сме подобрили добре старомодния метод добре достатъчно, за да може да се използва “и наистина това е решено.
Това каза, след като проектът за генома нещото, което промени облика на геномиката, са нови революционни технологии за секвениране, които най-накрая се появиха на сцената около 2005 г.
Как тези подобрения промениха цената и времето, необходимо за последователни действия?
Проектът за човешкия геном отне шест до осем години активно секвениране и по отношение на активното секвениране те изразходват около милиард долара, за да произведат първата последователност на човешкия геном. В деня, в който проектът за генома приключи, попитахме нашите групи за последователности: „Добре, ако щете да извършите последователност втори човешки геном, хипотетично, колко време ще отнеме и колко ще струва?“ С гърба на плика изчисление те казаха: „Леле, ако ни дадете още 10 до 50 милиона долара, вероятно бихме могли да го направим след три до четири месеца.“
Но сега, ако отидете до мястото, където сме днес, можете да секвенирате човешки геном за около ден-два. До края на тази година ще е около ден. И това ще струва само около 3000 до 5000 долара.
Кои бяха основните открития от първия геном и тези, които последваха?
Има нови открития, които идват всеки ден. През първите 10 години, когато имаме пред себе си последователността на човешкия геном, мисля, че ние ежедневно натрупваме все повече информация за това как работи човешкият геном. Но трябва да признаем, че дори и преди 10 години, ние сме само на ранните етапи на тълкуване на тази последователност. Десетилетия оттук нататък все ще го интерпретираме и преосмисляме.
Някои от най-ранните неща, които научихме, например: Имаме много по-малко гени, отколкото някои хора бяха предвидили. Когато геномът започна, много хора прогнозираха, че хората вероятно имат 100 000 гена и те ще имат значително повече гени от други организми, особено по-прости организми. Оказва се, че това не е вярно. Оказва се, че ние сме много по-ниско генно число. Всъщност ние вероятно повече приличаме на 20 000 гена. И това е само няколко хиляди повече от мухи и червеи. Така че нашата сложност не е в нашия ген. Нашата сложност е другаде.
Другата изненада дойде, когато започнахме секвениране на други бозайници - в частност, геном на мишка, геном на плъхове, геном на кучета и така нататък и досега сме секвенцирали 50, 60, 70 такива генома. Подреждате тези геномни последователности в компютър и гледате къде са последователностите, които са много запазени, с други думи през десетки милиони години еволюционно време, където последователностите изобщо не са се променили. Силно еволюционно запазените последователности почти сигурно насочват към функционалните последователности. Това са неща, които животът не иска да се променя и затова ги поддържат същите, защото те изпълняват някаква жизненоважна основна функция, необходима за биологията. Влизайки в проекта за генома, ние смятахме, че по-голямата част от тези най-запазени региони, които са функционално важни, ще бъдат в гените - частите от генома, които директно кодират протеини. Оказва се, че повечето от най-запазените и неизбежно функционални последователности не са в райони за кодиране на протеини; те са извън гените.
И така, какво правят? Ние не ги знаем. Но знаем, че много от тях са основно превключватели на вериги, като димерни превключватели за светлина, които определят къде и кога и колко се включва гена. При хората е много по-сложно, отколкото при нисшите организми като мухи и червеи. Така че нашата биологична сложност не е толкова много в нашия ген. Именно в сложните превключватели, като димерни превключватели, те регулират къде, кога и колко гени се включват.
Какво ни остава да разберем?
Когато се замислите как работи геномът, това е мисълта за това, как работи обикновено за всички нас. Но другият голям акцент в геномиката - особено през последните 10 години - е да разберем как се различават нашите геноми. Така че там можете да подчертаете 0, 1 процента от нашите геноми, които са различни в сравнение помежду си и как тези различия водят до различни биологични процеси. Така че, разбирането на вариацията е много, много важно и след това се свързва тази промяна с различни последици, от които болестта е основна част от нея.
Имаше забележителен, просто наистина забележителен напредък. Вече знаем геномната основа на почти 5000 редки генетични заболявания. Когато проектът за генома започна, имаше само няколко десетки заболявания, за които разбрахме каква мутация причинява тази болест. Това е огромна разлика. Вече знаем много, много стотици и стотици региони на човешкия геном, които съдържат варианти - все още не знаем кои варианти - които създават риск за по-сложни генетични заболявания, като хипертония и диабет и астма, сърдечно-съдови заболявания и т.н.,
Преминахме от пълна липса на познания къде да търсите в генома за тези варианти, до сега, когато имаме много дискретни региони, които да търсите. Така че това е голям акцент сега в геномиката, се опитва да разбере кои варианти са от значение за болестта и какво да правя с тях.
