Rozszyfrowanie ludzkiego genomu spowoduje rewolucję w medycynie
Rok wcześniej niż zakładano, czyli do lutego 2000 r., będzie gotowy "wstępny szkic" genomu człowieka - zapewniają brytyjscy i amerykańscy specjaliści. Ma się w nim znaleźć 90 proc. ze 100 tys. genów, w których zapisane są instrukcje dotyczące rozwoju i funkcjonowania człowieka. Szybsze ukończenie projektu będzie możliwe dzięki nowej technologii analitycznej opracowanej w USA.
Projekt badawczy genomu człowieka to jedno z najbardziej ambitnych i najważniejszych przedsięwzięć naukowych w historii. Zainicjowano je w 1990 r. w Stanach Zjednoczonych, gdzie planuje się wydanie na ten cel 3 mld USD. Oficjalne badania prowadzą też państwa Unii Europejskiej i Japonia. Finansujący brytyjskie Centrum Sangera Wellcome Trust przeznaczy 48 mln funtów na przyspieszenie prac. Mające swoją siedzibę w Cambridge Centrum Sangera ma opracować jedną trzecią informacji zawartych w naszym genomie, reszta będzie dziełem badaczy z laboratoriów amerykańskich i centrów na całym świecie. Dr John Sulston, dyrektor Centrum Sangera, zapewniał ostatnio w BBC: "Naszą część opracowania ukończymy na początku przyszłego roku. Społeczność naukowa chce mieć te dane już teraz, gdyż odgrywają one istotną rolę w zrozumieniu podstaw życia, zdrowia i choroby".
Genom to komplet materiału genetycznego każdego żywego organizmu. Nasz składa się z prawie 100 tys. genów umieszczonych w każdej komórce na 23 parach chromosomów. Chromosom może pomieścić ponad 250 mln par czterech zasad wchodzących w skład DNA. Ludzki genom składa się prawdopodobnie z 3 mld takich par. Podwójna helisa DNA wygląda jak skręcona drabina, której poszczególne odcinki wyróżniają się unikatową kombinacją par zasadowych. Ponieważ gen to jeden z takich odcinków drabiny DNA, każdy ma niepowtarzalną sekwencję par zasadowych. W ten sposób można go odróżnić od innych genów i ustalić jego położenie na chromosomie.
elem projektu badawczego genomu człowieka jest zidentyfikowanie wszystkich genów w jądrze ludzkiej komórki, ustalenie (w tzw. procesie mapowania), gdzie na chromosomach się znajdują, a także (w procesie sekwencjonowania) poznanie informacji genetycznej zapisanej w DNA. Zidentyfikowanie trzech miliardów jednostek ludzkiego DNA będzie zdumiewającym osiągnięciem. Sekwencjonowanie naszego genomu przypomina bowiem układanie z zawiązanymi oczyma jednego zdania z tysięcy pojedynczych i zaszyfrowanych słów zapisanych w czteroliterowym alfabecie. Ostatecznie naukowcy liczą, że uda im się powiązać konkretne cechy i choroby dziedziczne z poszczególnymi genami. Doprowadzi to do rewolucji w medycynie. "Ta wiedza będzie wykorzystywana przez stulecia" - mówi Craig Venter z amerykańskiego Institute for Genomic Research. Do dziś w pełni rozszyfrowano zaledwie jedną dziesiątą genomu. Na chromosomach potrafimy już odnaleźć kilka tysięcy genów, znamy funkcję niektórych z nich, ponad tysiąc chorób genetycznych powiązaliśmy z ich mutacjami. Dokonaliśmy sekwencji kilkudziesięciu tysięcy par zasadowych. Finalna wersja genomu, bez luk i z poprawionymi błędami, ma być gotowa w 2003 r., lecz będzie to dopiero początek kolejnego etapu: ustalenia, jaką funkcję każdy z genów tak naprawdę pełni w naszych organizmach. Naukowcy dziś rozumieją rolę zaledwie niewielkiego ułamka z nich.
Zespół naukowców z Institute for Genomic Research pod kierownictwem dr. Craiga Ventera opracował pierwszy w historii genom. W 1995 r. badacze ci wykonali mapę DNA bakterii Haemophilus influenzae. Obecnie w instytucie trwają prace nad osiemdziesięcioma genomami innych mikroorganizmów. Około 50 map genetycznych ma powstać jeszcze w tym roku.
Bardzo przydatna ma być nowa technika analizy danych generowanych przez tzw. chipy DNA, opracowana przez grupę naukowców z Whitehead Institute. Wyszukany algorytm komputerowy pozwoli szybciej rozszyfrować, jak wspólnie działa 100 tys. genów, zapewniając nam zdrowie, i jak dochodzi do chorób, gdy im się to nie udaje. "Chipy DNA zrewolucjonizowały analizę DNA, pozwalając nam na jednoczesne obserwacje czynności tysięcy genów. Dotychczas interpretacja wyjątkowo złożonych, surowych danych była niezwykle trudna. Nasza technika to jedno z pierwszych narzędzi nowej generacji przyspieszających analizę danych genetycznych wypływających z laboratoriów na całym świe- cie" - mówi Todd Golub z Whitehead/MIT Center for Genome Research, jednego z ośrodków uczestniczących w programie badawczym genomu człowieka. "Podstawą tej techniki jest algorytm - tzw. samoorganizująca mapa, która wykorzystuje fakt, że wiele genów w komórce zachowuje się podobnie. Zamiast otrzymywać listę 2 tys. poszczególnych genów pełniących różne funkcje, można mieć 25 grup genów wykonujących podobne czynności. Nie jest możliwe wizualne przebadanie każdego genu. Ta metoda pozwala na szybki przegląd tego, co dzieje się z tysiącami genów" - wyjaśnia Pablo Tamayo z Whitehead Institute. Czynności tysięcy genów są porządkowane w ciągu kilku minut. Ostateczny produkt można porównać do liczącego tysiąc stron raportu. Zamiast czytać wszystko, można poznać jego treść, przeglądając streszczenie.
Zwierzęta mają odpowiedniki kilkuset ludzkich genów, także tych, których mutacje prowadzą do najcięższych chorób
Poznanie wszystkich tajników ludzkiego ciała umożliwi nie tylko mapa DNA. Bezcenne są również informacje o genach innych organizmów. Sekwencje pierwszego genomu ukończono w 1995 r. Do końca tego roku będziemy prawdopodobnie dysponować kompletnymi kodami genetycznymi ok. 40 organizmów. W listopadzie ubiegłego roku Szwedzi i Amerykanie ukończyli mapowanie wszystkich genów bakterii wywołującej tyfus. Brytyjczycy pracują nad genomem grupy bakterii Streptomyces, które wytwarzają prawie dwie trzecie wszystkich znanych naturalnych antybiotyków. Mikroorganizmy te oraz ich bliscy krewni wytwarzają również substancje przeciwgrzybiczne, przeciwrakowe, niezbędne do wykonywania przeszczepów środki immunosupresyjne, substancje zwalczające pasożyty, a nawet - chwastobójcze. Duże nadzieje wiąże się też z niedawno opracowanym genomem bakterii gruźlicy zabijającej każdego roku 3 mln ludzi. Human Genome Sciences z Rockville w stanie
Maryland sporządziła mapę DNA pewnej bakterii żyjącej w naszych jelitach, a równocześnie głównego sprawcy infekcji szpitalnych. Tylko w Stanach Zjednoczonych co roku wywołuje ona 800 tys. zakażeń, których leczenie kosztuje 4 mld USD. Wiele szczepów tej bakterii jest odpornych na większość antybiotyków. Groźny mikrob ma 4 tys. genów. Większość z nich potrafimy powiązać ze znanymi genami, lecz funkcje jednej czwartej są dla badaczy niezrozumiałe. Dysponujemy też kompletną sekwencją 4200 genów E. coli, prawdopodobnie najczęściej badanego w ostatnich latach organizmu. Zainteresowanie naukowców wynika z tego, że tę żyjącą w jelitach zwierząt bakterię (po wprowadzeniu genów innych gatunków) wykorzystuje się do produkcji leków, w tym ludzkiej insuliny. Na świecie coraz częstsze są epidemie zatruć pokarmowych wywoływane przez toksyczne szczepy E. coli. Mikrobiolodzy nie potrafią wyjaśnić, dlaczego jeden szczep E. coli jest nieszkodliwy, a inny zabija. Odpowiedź znajduje się w genach, a funkcje jednej trzeciej z nich ciągle są dla naukowców tajemnicą.
Równie istotne jest sekwencjonowanie genomów roślin uprawnych, zwłaszcza ryżu, którego światowa produkcja podwoiła się w ostatnich trzydziestu latach dzięki wprowadzeniu nowych odmian i lepszych technologii. Lecz te udoskonalenia już nie wystarczają. Rosnąca populacja planety domaga się coraz większych ilości ryżu, jednocześnie zostawiając coraz mniej miejsca pod jego uprawę. Biotechnolodzy liczą więc, że zgłębienie genomu rośliny pozwoliłoby im zwiększyć plony.
Kilka miesięcy temu badacze z Centrum Sangera i Genome Sequencing Centre w St. Louis ukończyli mapę genetyczną maleńkiego robaka Caenorhabditis elegans. Dokonanie to, pozornie mało interesujące, jest dla biologii tym, czym dla chemii było odkrycie układu okresowego pierwiastków. Niewielki nicień to najbardziej złożony organizm, jakiego genom poznaliśmy w pełni i pierwszy genom zwierzęcia. C. elegans jest organizmem wielokomórkowym. Naukowcy coraz częściej prowadzą badania genetyczne na zwierzętach. Geny wyraźnie nam pokazują, jak blisko jesteśmy z nimi spokrewnieni. Okazuje się, że mimo milionów lat ewolucji, rozmieszczenie genów na chromosomach pozostało niezmienne u myszy i człowieka. Zwierzęta mają odpowiedniki kilkuset naszych genów, także tych, których mutacje prowadzą do najcięższych chorób. Ponieważ szybciej się rozmnażają, łatwiej można badać u nich tego typu zmiany. Mapa genetyczna C. elegans zawiera 19 tys. genów, a jej wykonanie zajęło 15 lat. To niepozorne zwierzę osiągające długość zaledwie milimetra, żyjące w glebie lub wśród gnijących resztek roślin, ma z nami wiele wspólnego. Około 40 proc. jego genów posiadamy także i my. Badania dostarczą więc wielu bezcennych informacji o procesach biologicznych zachodzących w nas samych. C. elegans - podobnie jak człowiek - rozpoczyna swoje istnienie jako zapłodniona pojedyncza komórka, która w wyniku wielu podziałów rozwija się w dorosłe zwierzątko. W trakcie tego procesu nicień wytwarza złożone tkanki i organy. Ma nawet układ nerwowy: potrafi rozróżniać zapachy, smak i reaguje na dotyk i zmianę temperatury. "To w pewnym sensie miniaturki ludzkich istot. Patrząc na geny potrzebne im np. do stworzenia mięśni, możemy się wiele nauczyć o tych, które stwarzają nasze mięśnie, gdyż są to te same geny" - mówił BBC News John Sulston, dyrektor Centrum Sangera. Materiał genetyczny nicienia zakodowany jest w sześciu chromosomach (komórki człowieka mają ich 46). Z ponad 19 tys. genów prawie połowa ma swoje odpowiedniki u innych organizmów. Funkcja 60 proc. jest nieznana i czeka na wyjaśnienie. Skompletowanie genomu robaka uznano za kamień milowy w rozwoju nauki. Ostatecznie badania te przyczynią się do interpretacji innych genomów - także człowieka - i pomogą zrewolucjonizować opiekę zdrowotną. Nicień ma geny podobne do tych, które u człowieka wywołują raka okrężnicy i chorobę Alzhei- mera. Podglądając, jak rosną i rozwijają się, możemy lepiej zrozumieć raka, gdyż pewne komórki w organizmach małych nicieni są celowo niszczone w sposób dyktowany przez ich geny. Prawie wszystkie komórki zwierzęce mają podobny mechanizm samodestrukcyjny. U ludzi jest to jeden z głównych mechanizmów obronnych ciała przed komórkami rakotwórczymi i gdy on zawodzi, rozwija się nowotwór. Studiując geny, możemy się dowiedzieć, jak manipulować procesami, które zachodzą w żywych organizmach - od bakterii do człowieka.
Projekt badawczy genomu człowieka to jedno z najbardziej ambitnych i najważniejszych przedsięwzięć naukowych w historii. Zainicjowano je w 1990 r. w Stanach Zjednoczonych, gdzie planuje się wydanie na ten cel 3 mld USD. Oficjalne badania prowadzą też państwa Unii Europejskiej i Japonia. Finansujący brytyjskie Centrum Sangera Wellcome Trust przeznaczy 48 mln funtów na przyspieszenie prac. Mające swoją siedzibę w Cambridge Centrum Sangera ma opracować jedną trzecią informacji zawartych w naszym genomie, reszta będzie dziełem badaczy z laboratoriów amerykańskich i centrów na całym świecie. Dr John Sulston, dyrektor Centrum Sangera, zapewniał ostatnio w BBC: "Naszą część opracowania ukończymy na początku przyszłego roku. Społeczność naukowa chce mieć te dane już teraz, gdyż odgrywają one istotną rolę w zrozumieniu podstaw życia, zdrowia i choroby".
Genom to komplet materiału genetycznego każdego żywego organizmu. Nasz składa się z prawie 100 tys. genów umieszczonych w każdej komórce na 23 parach chromosomów. Chromosom może pomieścić ponad 250 mln par czterech zasad wchodzących w skład DNA. Ludzki genom składa się prawdopodobnie z 3 mld takich par. Podwójna helisa DNA wygląda jak skręcona drabina, której poszczególne odcinki wyróżniają się unikatową kombinacją par zasadowych. Ponieważ gen to jeden z takich odcinków drabiny DNA, każdy ma niepowtarzalną sekwencję par zasadowych. W ten sposób można go odróżnić od innych genów i ustalić jego położenie na chromosomie.
elem projektu badawczego genomu człowieka jest zidentyfikowanie wszystkich genów w jądrze ludzkiej komórki, ustalenie (w tzw. procesie mapowania), gdzie na chromosomach się znajdują, a także (w procesie sekwencjonowania) poznanie informacji genetycznej zapisanej w DNA. Zidentyfikowanie trzech miliardów jednostek ludzkiego DNA będzie zdumiewającym osiągnięciem. Sekwencjonowanie naszego genomu przypomina bowiem układanie z zawiązanymi oczyma jednego zdania z tysięcy pojedynczych i zaszyfrowanych słów zapisanych w czteroliterowym alfabecie. Ostatecznie naukowcy liczą, że uda im się powiązać konkretne cechy i choroby dziedziczne z poszczególnymi genami. Doprowadzi to do rewolucji w medycynie. "Ta wiedza będzie wykorzystywana przez stulecia" - mówi Craig Venter z amerykańskiego Institute for Genomic Research. Do dziś w pełni rozszyfrowano zaledwie jedną dziesiątą genomu. Na chromosomach potrafimy już odnaleźć kilka tysięcy genów, znamy funkcję niektórych z nich, ponad tysiąc chorób genetycznych powiązaliśmy z ich mutacjami. Dokonaliśmy sekwencji kilkudziesięciu tysięcy par zasadowych. Finalna wersja genomu, bez luk i z poprawionymi błędami, ma być gotowa w 2003 r., lecz będzie to dopiero początek kolejnego etapu: ustalenia, jaką funkcję każdy z genów tak naprawdę pełni w naszych organizmach. Naukowcy dziś rozumieją rolę zaledwie niewielkiego ułamka z nich.
Zespół naukowców z Institute for Genomic Research pod kierownictwem dr. Craiga Ventera opracował pierwszy w historii genom. W 1995 r. badacze ci wykonali mapę DNA bakterii Haemophilus influenzae. Obecnie w instytucie trwają prace nad osiemdziesięcioma genomami innych mikroorganizmów. Około 50 map genetycznych ma powstać jeszcze w tym roku.
Bardzo przydatna ma być nowa technika analizy danych generowanych przez tzw. chipy DNA, opracowana przez grupę naukowców z Whitehead Institute. Wyszukany algorytm komputerowy pozwoli szybciej rozszyfrować, jak wspólnie działa 100 tys. genów, zapewniając nam zdrowie, i jak dochodzi do chorób, gdy im się to nie udaje. "Chipy DNA zrewolucjonizowały analizę DNA, pozwalając nam na jednoczesne obserwacje czynności tysięcy genów. Dotychczas interpretacja wyjątkowo złożonych, surowych danych była niezwykle trudna. Nasza technika to jedno z pierwszych narzędzi nowej generacji przyspieszających analizę danych genetycznych wypływających z laboratoriów na całym świe- cie" - mówi Todd Golub z Whitehead/MIT Center for Genome Research, jednego z ośrodków uczestniczących w programie badawczym genomu człowieka. "Podstawą tej techniki jest algorytm - tzw. samoorganizująca mapa, która wykorzystuje fakt, że wiele genów w komórce zachowuje się podobnie. Zamiast otrzymywać listę 2 tys. poszczególnych genów pełniących różne funkcje, można mieć 25 grup genów wykonujących podobne czynności. Nie jest możliwe wizualne przebadanie każdego genu. Ta metoda pozwala na szybki przegląd tego, co dzieje się z tysiącami genów" - wyjaśnia Pablo Tamayo z Whitehead Institute. Czynności tysięcy genów są porządkowane w ciągu kilku minut. Ostateczny produkt można porównać do liczącego tysiąc stron raportu. Zamiast czytać wszystko, można poznać jego treść, przeglądając streszczenie.
Zwierzęta mają odpowiedniki kilkuset ludzkich genów, także tych, których mutacje prowadzą do najcięższych chorób
Poznanie wszystkich tajników ludzkiego ciała umożliwi nie tylko mapa DNA. Bezcenne są również informacje o genach innych organizmów. Sekwencje pierwszego genomu ukończono w 1995 r. Do końca tego roku będziemy prawdopodobnie dysponować kompletnymi kodami genetycznymi ok. 40 organizmów. W listopadzie ubiegłego roku Szwedzi i Amerykanie ukończyli mapowanie wszystkich genów bakterii wywołującej tyfus. Brytyjczycy pracują nad genomem grupy bakterii Streptomyces, które wytwarzają prawie dwie trzecie wszystkich znanych naturalnych antybiotyków. Mikroorganizmy te oraz ich bliscy krewni wytwarzają również substancje przeciwgrzybiczne, przeciwrakowe, niezbędne do wykonywania przeszczepów środki immunosupresyjne, substancje zwalczające pasożyty, a nawet - chwastobójcze. Duże nadzieje wiąże się też z niedawno opracowanym genomem bakterii gruźlicy zabijającej każdego roku 3 mln ludzi. Human Genome Sciences z Rockville w stanie
Maryland sporządziła mapę DNA pewnej bakterii żyjącej w naszych jelitach, a równocześnie głównego sprawcy infekcji szpitalnych. Tylko w Stanach Zjednoczonych co roku wywołuje ona 800 tys. zakażeń, których leczenie kosztuje 4 mld USD. Wiele szczepów tej bakterii jest odpornych na większość antybiotyków. Groźny mikrob ma 4 tys. genów. Większość z nich potrafimy powiązać ze znanymi genami, lecz funkcje jednej czwartej są dla badaczy niezrozumiałe. Dysponujemy też kompletną sekwencją 4200 genów E. coli, prawdopodobnie najczęściej badanego w ostatnich latach organizmu. Zainteresowanie naukowców wynika z tego, że tę żyjącą w jelitach zwierząt bakterię (po wprowadzeniu genów innych gatunków) wykorzystuje się do produkcji leków, w tym ludzkiej insuliny. Na świecie coraz częstsze są epidemie zatruć pokarmowych wywoływane przez toksyczne szczepy E. coli. Mikrobiolodzy nie potrafią wyjaśnić, dlaczego jeden szczep E. coli jest nieszkodliwy, a inny zabija. Odpowiedź znajduje się w genach, a funkcje jednej trzeciej z nich ciągle są dla naukowców tajemnicą.
Równie istotne jest sekwencjonowanie genomów roślin uprawnych, zwłaszcza ryżu, którego światowa produkcja podwoiła się w ostatnich trzydziestu latach dzięki wprowadzeniu nowych odmian i lepszych technologii. Lecz te udoskonalenia już nie wystarczają. Rosnąca populacja planety domaga się coraz większych ilości ryżu, jednocześnie zostawiając coraz mniej miejsca pod jego uprawę. Biotechnolodzy liczą więc, że zgłębienie genomu rośliny pozwoliłoby im zwiększyć plony.
Kilka miesięcy temu badacze z Centrum Sangera i Genome Sequencing Centre w St. Louis ukończyli mapę genetyczną maleńkiego robaka Caenorhabditis elegans. Dokonanie to, pozornie mało interesujące, jest dla biologii tym, czym dla chemii było odkrycie układu okresowego pierwiastków. Niewielki nicień to najbardziej złożony organizm, jakiego genom poznaliśmy w pełni i pierwszy genom zwierzęcia. C. elegans jest organizmem wielokomórkowym. Naukowcy coraz częściej prowadzą badania genetyczne na zwierzętach. Geny wyraźnie nam pokazują, jak blisko jesteśmy z nimi spokrewnieni. Okazuje się, że mimo milionów lat ewolucji, rozmieszczenie genów na chromosomach pozostało niezmienne u myszy i człowieka. Zwierzęta mają odpowiedniki kilkuset naszych genów, także tych, których mutacje prowadzą do najcięższych chorób. Ponieważ szybciej się rozmnażają, łatwiej można badać u nich tego typu zmiany. Mapa genetyczna C. elegans zawiera 19 tys. genów, a jej wykonanie zajęło 15 lat. To niepozorne zwierzę osiągające długość zaledwie milimetra, żyjące w glebie lub wśród gnijących resztek roślin, ma z nami wiele wspólnego. Około 40 proc. jego genów posiadamy także i my. Badania dostarczą więc wielu bezcennych informacji o procesach biologicznych zachodzących w nas samych. C. elegans - podobnie jak człowiek - rozpoczyna swoje istnienie jako zapłodniona pojedyncza komórka, która w wyniku wielu podziałów rozwija się w dorosłe zwierzątko. W trakcie tego procesu nicień wytwarza złożone tkanki i organy. Ma nawet układ nerwowy: potrafi rozróżniać zapachy, smak i reaguje na dotyk i zmianę temperatury. "To w pewnym sensie miniaturki ludzkich istot. Patrząc na geny potrzebne im np. do stworzenia mięśni, możemy się wiele nauczyć o tych, które stwarzają nasze mięśnie, gdyż są to te same geny" - mówił BBC News John Sulston, dyrektor Centrum Sangera. Materiał genetyczny nicienia zakodowany jest w sześciu chromosomach (komórki człowieka mają ich 46). Z ponad 19 tys. genów prawie połowa ma swoje odpowiedniki u innych organizmów. Funkcja 60 proc. jest nieznana i czeka na wyjaśnienie. Skompletowanie genomu robaka uznano za kamień milowy w rozwoju nauki. Ostatecznie badania te przyczynią się do interpretacji innych genomów - także człowieka - i pomogą zrewolucjonizować opiekę zdrowotną. Nicień ma geny podobne do tych, które u człowieka wywołują raka okrężnicy i chorobę Alzhei- mera. Podglądając, jak rosną i rozwijają się, możemy lepiej zrozumieć raka, gdyż pewne komórki w organizmach małych nicieni są celowo niszczone w sposób dyktowany przez ich geny. Prawie wszystkie komórki zwierzęce mają podobny mechanizm samodestrukcyjny. U ludzi jest to jeden z głównych mechanizmów obronnych ciała przed komórkami rakotwórczymi i gdy on zawodzi, rozwija się nowotwór. Studiując geny, możemy się dowiedzieć, jak manipulować procesami, które zachodzą w żywych organizmach - od bakterii do człowieka.
Więcej możesz przeczytać w 14/1999 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.