לפני עשור צוות מחקר בינלאומי השלים מאמץ שאפתני לקרוא את 3 מיליארד מכתבי המידע הגנטי שנמצאו בכל תא אנושי. התוכנית, המכונה פרויקט הגנום האנושי, סיפקה את התוכנית לחיי אדם, הישג שהושווה לנחיתה של אדם על הירח.
ד"ר אריק ד. גרין היה מעורב כבר מההתחלה, ושכלל כמה מהטכנולוגיות העיקריות ששימשו בפרויקט. באותה תקופה היה עמית בפוסט-דוקטורט ותושב בפתולוגיה באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס. הוא גילף את חמשת האחוזים שלו מהגנום, והתמקד במיפוי ה- DNA של הכרומוזום 7. כיום, גרין הוא מנהל המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי, המקדם את ההבנה של הגנום האנושי באמצעות מחקר הגנומיקה.
בואו נחזור לאמצע עד סוף שנות השמונים, אז הגה לראשונה הרעיון לפרויקט הגנום האנושי. מה הייתה המוטיבציה באותה תקופה?
תלוי את מי שואלים. לאנשים שונים היו מניעים שונים. זכור כי שנות ה -70 ותחילת שנות ה -80 היו עידן המהפכה הביולוגית המולקולרית. חלו התקדמות משמעותית בשיטות שאיפשרו לנו לבודד ולחקר DNA במעבדה.
בארה"ב, למשל, מחלקת האנרגיה התעניינה מאוד ברעיון של חקר הגנום בגלל העניין במוטציה, ותהליך המוטציה הקשור לסוגי אנרגיה מסוימים, כמו אנרגיה גרעינית.
אם אתה הולך למקומות כמו מכוני הבריאות הלאומיים, או שאתה מסתכל על חוקרים ביו-רפואיים וחוקרים הקשורים לבריאות, הם היו מעוניינים מאוד להיות מסוגלים להבהיר את הבסיס הגנטי של המחלה. בין שלל המחלות הגנטיות שנחשבו, כמובן, היה סרטן.
הרבה אנשים אחרים ברחבי הספקטרום המחקר הביו-רפואי - אפילו אלה שעובדים על אורגניזמים דוגמניים, כמו זבובים ותולעים ושמרים - הכירו בכך שאם היינו יכולים להבין כיצד ניתן להסתכל באופן מקיף על גנים מורכבים, החל בזבובים ותולעים ושמרים, אך לאחר מכן לעבוד בדרכנו אל בני האדם, זה היה מספק מידע בסיסי להבנת איך הגנום עובד.
הייתה התגבשות של המון רעיונות שונים שעל רקע התקדמות טכנולוגית מצטברת אך חשובה, גרמו לכך שנראה כי למרות המרתיע, הבעיה של רצף הגנום האנושי וקביעת סדרם של 3 מיליארד אותיות הייתה ברת ביצוע.
מאיפה הגיע החומר לפרויקט הגנום? לגנום של מי זה היה?
כאשר פרויקט הגנום החל, הוא עדיין היה די חתיך. אנשים שונים הכינו אוספים שונים ושברי DNA הנקראים ספריות, שהם רק חלקי DNA משובטים. הם היו עושים זאת מכל אחד אחר: לפעמים זה יהיה ראש המעבדה, לפעמים זה היה הבחור הפוסט-דוקטורט או הסטודנט לתואר שני. הם פשוט היו תופסים DNA אז, כשלא היו שום השלכות על זה.
אבל אז, כשהגיע הזמן סוף סוף להפוך את הספריות שעתידות לשמש לרצף הגנום האנושי על ידי פרויקט הגנום האנושי, האדם שהיה האדם הטוב ביותר להכנת הספריות היה מדען שעבד במכון לסרטן פארק רוזוול. בבופלו, ניו יורק. [הצוות] קיבל הסכמה מדעת מכ -10 או 20 תורמי דם אנונימיים, ואז בחר באחד מאלו באקראי, וזה היה האדם. כ -60 אחוז מרצף הגנום האנושי שנוצר על ידי פרויקט הגנום האנושי היה מתורם דם אחד בבופלו, ניו יורק.
אבל, אתה יודע מה, זה לא משנה. אם אתה עובר על רצף הגנום האנושי שנוצר על ידי פרויקט הגנום האנושי, זה כמו פסיפס. אתה יכול ללכת על מאה אלף מכתבים ויכול להיות שאותו אדם אחד, מבופלו. יכול להיות שבסופו של דבר תלכו את מאה אלף הבאים וזה יהיה מישהו אחר. והמאה אלף הבא, מישהו אחר. כל מה ששימש היה התייחסות. ומכיוון שכל בני האדם זהים ב -99.9 אחוז ברמת הרצף, הרצף הראשון הזה לא צריך להיות אדם אמיתי. זה יכול להיות פשוט התייחסות היפותטית של אדם.
מכל המידע הזה, מדוע בחרת להתמקד בכרומוזום 7 [בגנום האנושי 23 כרומוזומים]?
זה היה מעט שרירותי. רצינו לבחור כרומוזום שלא גדול מדי. לא רצינו לבחור אחד שהיה קטן מדי. ידענו שתהיה הרבה עבודה, אז בחרנו כרומוזום בגודל בינוני.
לא רצינו לבחור אחד שכבר הרבה אנשים עובדים עליו. באותה נקודה, הגן המפורסם ביותר בכרומוזום 7 היה הגן סיסטיק פיברוזיס, וזה התגלה בשנת 1989. ואנחנו למעשה בידדנו חלק מאותו אזור ועשינו כמה מחקרים בצורה פיילוט.
האמת, בחרנו בזה כי זה לא היה גדול מדי, לא היה קטן מדי ולא היה צפוף מדי. זו הייתה דרך שרירותית להתחיל; עד שפרויקט הגנום הסתיים, מרבית המחקרים נערכו בכל הגנום.
כיצד השתנו העבודות במהלך חיי הפרויקט?
כל סיפור הגנום הוא סיפור של פיתוח טכנולוגי. אם אתה עוקב אחר ההתקדמות העצומה, כל אחד מהם היה קשור לעלייה בטכנולוגיה. בשלב מוקדם של פרויקט הגנום עלה הזינוק כי היו לנו דרכים טובות יותר לבודד חתיכות DNA גדולות.
כאשר רצנו רצפים של גנום אורגניזם קטן יותר - כמו זבובי פרי תסיסנית - אנו מתועשים למעשה את התהליך של ביצוע רצפים והופכים אותו ליותר ויותר אוטומטי.
כאשר החל פרויקט הגנום, הרעיון היה "בואו ונרקם את הגנום של זבובים ותולעים ושמרים, כל האורגניזמים הקטנים יותר, בשיטת היום", שיטה זו שפותחה על ידי פרד סנגר בשנת 1977. הרעיון היה שהם לא היה דוחף את דוושת הגז כדי להתחיל לרצף את הגנום האנושי עד שתתקיים שיטת רצף מהפכנית חדשה. אז היו הרבה מאמצים לפתח דרכים מטורפות חדשות לרצף DNA.
כשהגיע הזמן, בסביבות 1997 או 1998, לחשוב בפועל להתחיל לרצף את הגנום האנושי, כולם אמרו, "אולי אנחנו לא צריכים לחכות לשיטה מהפכנית, אולי שיפרנו באופן הדרגתי את השיטה המיושנת היטב די בכדי שאפשר להשתמש בו ", ואכן זה מה שהוחלט.
עם זאת, מאז פרויקט הגנום, הדבר ששינה את פני הגנום היה טכנולוגיות רצף מהפכניות חדשות שהגיעו סוף סוף לזירה בערך בשנת 2005.
כיצד שינויים אלה שינו את העלות ואת הזמנים שנדרשים לרצף?
פרויקט הגנום האנושי לקח שש עד שמונה שנים של רצף פעיל, ומבחינת רצף פעיל הם הוציאו כמיליארד דולר כדי לייצר את רצף הגנום האנושי הראשון. ביום שהפרויקט הגנום הסתיים, שאלנו את קבוצות הרצף שלנו, "בסדר, אם אתה מתכוון לרצף גנום אנושי שני, בצורה היפותטית, כמה זמן זה ייקח וכמה זה יעלה?" עם גב המעטפה בחישוב, הם אמרו, "וואו, אם היית נותן לנו עוד 10 עד 50 מיליון דולר, כנראה שנוכל לעשות זאת בעוד שלושה עד ארבעה חודשים."
אבל עכשיו, אם אתה הולך למקום בו אנו נמצאים היום, אתה יכול לרצף גנום אנושי בעוד יום או יומיים. בסוף השנה הנוכחית זה יהיה בערך יום. וזה יעלה רק בין 3, 000 ל -5, 000 דולר.
מהם הממצאים העיקריים מהגנום הראשון והממצאים שבאו אחריו?
ישנם ממצאים חדשים המגיעים מדי יום. בעשר השנים הראשונות שלפנינו לפנינו את רצף הגנום האנושי, אני חושב שאנחנו ביום יום צוברים יותר ויותר מידע על אופן פעולת הגנום האנושי. אך עלינו להכיר בכך שאפילו 10 שנים אנו נמצאים רק בשלבים המוקדמים של פירוש הרצף הזה. עשרות שנים מעכשיו אנו עדיין נפרש ופרשנו מחדש.
כמה מהדברים המוקדמים ביותר שלמדנו, למשל: יש לנו הרבה פחות גנים ממה שחושבים אנשים. כאשר החל הגנום, אנשים רבים ניבאו שלבני האדם ככל הנראה 100, 000 גנים, והם היו בעלי גנים משמעותיים יותר מאשר אורגניזמים אחרים, במיוחד אורגניזמים פשוטים יותר. מסתבר שזה לא נכון. מסתבר שאנחנו מספר גנים נמוך בהרבה. לאמיתו של דבר, אנחנו ככל הנראה יותר מ 20, 000 גנים. וזה רק אלפים בודדים יותר מזבובים ותולעים. אז המורכבות שלנו אינה נמצאת במספר הגנים שלנו. המורכבות שלנו נמצאת במקום אחר.
ההפתעה הנוספת הגיעה כשהתחלנו לרצף יונקים אחרים - בפרט, גנום עכבר, גנום עכברוש, גנום כלבים וכדומה, וכעת רצפנו 50, 60, 70 גנים כאלה. אתה מסדר את רצפי הגנום האלה במחשב ואתה מסתכל איפה רצפים שמורים מאוד, או במילים אחרות לאורך עשרות מיליוני שנים של זמן אבולוציוני, איפה הרצפים לא השתנו כלל. רצפים מאוד שמורים מאוד אבולוציוניים מצביעים כמעט על בטוח רצפים פונקציונליים. אלה דברים שהחיים לא רוצים לשנות ולכן הם שומרים עליהם אותו דבר מכיוון שהם מבצעים פונקציה בסיסית חיונית כלשהי הנחוצה לביולוגיה. בהתחשב בפרויקט הגנום, חשבנו שרוב האזורים הכי שמורים שהיו חשובים מבחינה תפקודית עומדים להיות בגנים - החלקים בגנום שקודדים ישירות חלבונים. מסתבר שרוב הרצפים הכי שמורים ובלתי נמנעים באופן פונקציונאלי ביותר אינם נמצאים באזורי קידוד חלבון; הם מחוץ לגנים.
אז מה הם עושים? אנחנו לא מכירים את כולם. אבל אנו יודעים שהרבה מהם בעצם מתגי מעגל, כמו מתגי דימר עבור אור, שקובעים היכן ומתי וכמה הגן נדלק. זה הרבה יותר מסובך אצל בני אדם מאשר באורגניזמים נמוכים יותר כמו זבובים ותולעים. אז המורכבות הביולוגית שלנו לא כל כך נמצאת במספר הגנים שלנו. במתגים המורכבים, כמו מתגי דימר, הם המסדירים היכן, מתי וכמה גנים נדלקים.
מה נותר לנו להבין?
כשאתה חושב על איך הגנום עובד, זה חושב על איך הוא עובד בדרך כלל עבור כולנו. אולם הדגש הגדול הנוסף בגנומיקה - במיוחד בעשר השנים האחרונות - הוא להבין כיצד הגנומים שלנו שונים. אז שם תוכלו להדגיש את 0.1 האחוז מהגנום שלנו השונים זה מזה וכיצד ההבדלים הללו מובילים לתהליכים ביולוגיים שונים. אז הנה, הבנת הווריאציה היא מאוד מאוד חשובה, ואז מתאם את הווריאציה לתוצאות שונות, אשר המחלה היא חלק עיקרי ממנה.
היו התקדמות מדהימה, פשוט מדהימה באמת. אנו מכירים כעת את הבסיס הגנומי לכמעט 5, 000 מחלות גנטיות נדירות. כאשר החל פרויקט הגנום היו רק כמה עשרות מחלות שעבורן הבנו מה המוטציה גורמת למחלה ההיא. זה הבדל עצום. אנו מכירים כיום מאות רבות ומאות אזורים בגנום האנושי המכילים גרסאות - איננו יודעים עדיין אילו גרסאות - אשר מעניקות סיכון למחלות גנטיות מורכבות יותר, כמו יתר לחץ דם וסוכרת ואסטמה, מחלות לב וכלי דם וכדומה. .
עברנו מחוסר ידע מוחלט היכן לחפש בגנום עבור אותם גרסאות, וכעת יש אזורים מאוד דיסקרטיים לבחינתם. אז זה דגש גדול עכשיו בגנומיקה, מנסה להבין אילו גרסאות רלוונטיות למחלות. ומה לעשות בקשר אליהם.
