Sepuluh tahun yang lalu, pasukan penyelidikan antarabangsa telah menyelesaikan satu usaha untuk membaca 3 bilion surat maklumat genetik yang terdapat di setiap sel manusia. Program ini, dikenali sebagai Projek Genom Manusia, menyediakan pelan tindakan untuk kehidupan manusia, pencapaian yang telah dibandingkan dengan mendarat seorang lelaki di bulan.
Dr. Eric D. Green terlibat dari awal lagi, menyempurnakan beberapa teknologi utama yang digunakan dalam projek itu. Pada masa itu, beliau adalah seorang pasca doktoral dan seorang penduduk dalam patologi di Universiti Washington di St. Louis. Dia mengukir 5 peratus genomnya, memfokus pada pemetaan DNA kromosom 7. Hari ini, Green adalah pengarah Institut Penyelidikan Genom Manusia Kebangsaan, yang memajukan pemahaman genom manusia melalui penyelidikan genomik.
Mari kita kembali ke pertengahan hingga akhir 1980-an, apabila idea untuk Projek Genom Manusia mula-mula dipupuk. Apakah motivasi pada masa itu?
Ia bergantung kepada siapa yang anda tanya. Orang yang berbeza mempunyai motivasi yang berbeza. Perlu diingat bahawa '70an dan awal' 80an adalah era revolusi biologi molekul. Terdapat kemajuan penting dalam kaedah yang membolehkan kita mengasingkan dan mengkaji DNA di makmal.
Di Amerika Syarikat, contohnya, Jabatan Tenaga sangat berminat dengan idea mempelajari genom kerana minat dalam mutasi, dan proses mutasi yang berkaitan dengan beberapa bentuk tenaga, seperti tenaga nuklear.
Jika anda pergi ke tempat seperti National Institutes of Health, atau anda melihat penyelidik bioperubatan dan penyelidik yang berkaitan dengan kesihatan, mereka sangat berminat untuk dapat menjelaskan asas genetik penyakit. Antara banyak penyakit genetik yang dipertimbangkan, tentu saja, adalah kanser.
Banyak orang lain merentasi spektrum penyelidikan bioperubatan-walaupun mereka yang bekerja di organisma model, seperti lalat dan cacing dan ragi-mengakui bahawa jika kita dapat memikirkan bagaimana secara komprehensif melihat genom kompleks, bermula dengan lalat dan cacing dan ragi tetapi kemudian bekerja cara kami untuk manusia, ia akan memberikan maklumat asas untuk memahami bagaimana genom berfungsi.
Terdapat banyak pemikiran yang berlainan yang, dengan latar belakang yang mempunyai kemajuan teknologi yang bertambah tetapi penting, membuatnya nampaknya, walaupun menakutkan, masalah penjujukan genom manusia dan menentukan perintah 3 bilion surat adalah layak.
Di manakah bahan untuk projek genom berasal? Genom siapa itu?
Apabila projek genom bermula, ia masih agak kecil. Orang yang berlainan telah membuat koleksi yang berbeza dan serpihan DNA dipanggil perpustakaan, yang hanya sekeping DNA diklon. Mereka akan melakukannya daripada sesiapa sahaja: Kadang-kadang ia akan menjadi kepala makmal, kadang-kadang ia akan menjadi rakan pasca doktoral atau pelajar gred. Mereka hanya akan merangkul DNA ketika itu tidak ada implikasinya.
Tetapi kemudian, apabila akhirnya tiba masa untuk membuat perpustakaan yang akan digunakan untuk menyusun genom manusia oleh Projek Genom Manusia, orang yang menjadi orang terbaik untuk menjadikan perpustakaan tersebut adalah seorang saintis yang bekerja di Roswell Park Cancer Institute di Buffalo, New York. [Pasukan] mendapat persetujuan yang dimaklumkan dari sekitar 10 atau 20 donor darah anonim, dan kemudian memilih salah satu dari mereka secara rawak, dan itu adalah orang itu. Sekitar 60 peratus daripada urutan genom manusia dihasilkan oleh Projek Genom Manusia adalah dari satu penderma darah di Buffalo, New York.
Tetapi, anda tahu apa, tidak mengapa. Sekiranya anda melepasi jujukan genom manusia yang dijana oleh Projek Genom Manusia, ia seperti mozek. Anda boleh pergi untuk seratus ribu huruf dan mungkin satu orang, dari Buffalo. Ia mungkin akan menjadi yang anda akan pergi seratus ribu akan datang dan ia akan menjadi orang lain. Dan seratus ribu lagi, orang lain. Semua yang berfungsi sebagai rujukan. Dan kerana semua manusia adalah 99.9 peratus sama pada tahap urutan, urutan pertama tidak perlu menjadi orang yang sebenar. Ia hanya boleh menjadi rujukan hipotesis seseorang.
Dari semua maklumat itu, mengapa anda memilih untuk memberi tumpuan kepada kromosom 7 [genom manusia mempunyai 23 kromosom]?
Ia agak sewenang-wenang. Kami mahu memilih kromosom yang tidak terlalu besar. Kami tidak mahu memilih sesuatu yang terlalu kecil. Kami tahu akan ada banyak kerja, jadi kami memilih kromosom bersaiz sederhana.
Kami tidak mahu memilih salah satu yang telah banyak orang yang bekerja di atasnya. Pada ketika itu, gen yang paling terkenal di kromosom 7 adalah gen fibrosis kistik, dan yang ditemui pada tahun 1989. Dan kami sebenarnya telah mengasingkan beberapa rantau itu dan melakukan beberapa kajian dalam fesyen perintis.
Sebenarnya, kami memilihnya kerana ia tidak terlalu besar, tidak terlalu kecil dan tidak terlalu sesak. Itulah cara sewenang-wenang untuk memulakan; pada masa projek genom itu berakhir, kebanyakan kajian telah dilakukan secara genom.
Bagaimanakah kerja itu berubah sepanjang hayat projek?
Seluruh genomik adalah salah satu perkembangan teknologi. Jika anda mengesan di mana kemajuan besar dibuat, setiap satu daripada mereka dikaitkan dengan lonjakan teknologi. Awalnya dalam projek genom, lonjakan datang kerana kita mempunyai cara yang lebih baik untuk mengasingkan kepingan besar DNA.
Apabila kita menyusun genom organisme yang lebih kecil-seperti lalat buah Drosophila -kita pada dasarnya telah memproses proses penjujukan, menjadikannya lebih dan lebih automatik.
Apabila projek genom bermula, idea itu adalah, "Mari kita urutan genom lalat dan cacing dan ragi, semua organisma yang lebih kecil ini, menggunakan kaedah hari ini, " yang merupakan kaedah yang dibangunkan oleh Fred Sanger pada tahun 1977. Ideanya ialah tidak akan menolak pemecut untuk memulakan penjujukan genom manusia sehingga kaedah penjujukan baru revolusi menjadi tersedia. Oleh itu, terdapat banyak usaha untuk membangunkan cara-cara baru yang menggila DNA.
Apabila tiba masanya, pada sekitar tahun 1997 atau 1998, untuk benar-benar berfikir tentang memulakan urutan genom manusia, semua orang berkata, "Mungkin kita tidak perlu menunggu untuk kaedah revolusioner, mungkin kita telah bertambah baik dengan kaedah kuno dengan baik cukup bahawa ia boleh digunakan, "dan sesungguhnya itulah yang diputuskan.
Yang mengatakan, sejak projek genom, perkara yang telah mengubah wajah genomik telah menjadi teknologi penjujukan baru revolusioner yang akhirnya muncul di tempat kejadian sekitar tahun 2005.
Bagaimanakah penambahbaikan itu mengubah kos dan masa yang diperlukan untuk penjujukan?
Projek Genom Manusia mengambil masa enam hingga lapan tahun penjujukan aktif dan, dari segi urutan yang aktif, mereka membelanjakan kira-kira satu bilion dolar untuk menghasilkan urutan genom manusia yang pertama. Pada hari projek genom itu berakhir, kami meminta kumpulan penjujukan kami, "Baiklah, jika anda akan menjejaki genom manusia kedua, secara hipotesis, berapa lama masa yang diperlukan dan berapa harganya?" Dengan belakang sampul surat pengiraan, mereka berkata, "Wow, jika anda memberi kami 10 hingga 50 juta dolar lagi, kami mungkin boleh melakukannya dalam tempoh tiga hingga empat bulan."
Tetapi sekarang, jika anda pergi ke tempat kita hari ini, anda boleh menyusun genom manusia dalam masa satu atau dua hari. Menjelang akhir tahun ini, ia akan menjadi kira-kira satu hari. Dan ia hanya akan berharga kira-kira $ 3, 000 hingga $ 5, 000 dolar.
Apakah penemuan utama dari genom pertama dan yang diikuti?
Terdapat penemuan baru yang datang setiap hari. Dalam 10 tahun pertama sebelum kita urutan genom manusia, saya fikir kita secara asas hari mengumpulkan lebih banyak maklumat tentang bagaimana genom manusia berfungsi. Tetapi kita harus sedar bahawa walaupun 10 tahun, kita hanya pada tahap awal mentafsirkan urutan itu. Dekad dari sekarang kita masih akan menafsirkan, dan menafsirkan semula, ia.
Antara perkara terawal yang kami pelajari, contohnya: Kami mempunyai gen yang lebih sedikit daripada yang telah diramalkan. Apabila genom bermula, ramai orang meramalkan bahawa manusia mungkin mempunyai 100, 000 gen, dan mereka akan mempunyai lebih banyak gen daripada organisme lain, terutamanya organisme yang lebih mudah. Ternyata itu tidak benar. Ternyata kita adalah nombor gen jauh lebih rendah. Malah, kita mungkin lebih seperti 20, 000 gen. Dan itu hanya beberapa ribu lebih banyak daripada lalat dan cacing. Oleh itu, kerumitan kami tidak ada dalam bilangan gen kami. Kerumitan kami di tempat lain.
Kejutan yang lain muncul apabila kita memulakan penjujukan mamalia lain-khususnya, genom tetikus, genom tikus, genom anjing dan sebagainya, dan sekarang kita telah menjejaki 50, 60, 70 genom tersebut. Anda menyusun urutan genom tersebut dalam komputer dan anda melihat untuk melihat di mana urutan yang sangat dipelihara, dengan perkataan lain merangkumi puluhan juta tahun dalam masa evolusi, di mana urutan tidak berubah sama sekali. Sangat, sangat evolusi menjimatkan urutan hampir pasti titik kepada urutan berfungsi. Ini adalah perkara-perkara yang kehidupan tidak mahu berubah dan jadi mereka tetap sama kerana mereka melakukan beberapa fungsi fundamental penting yang diperlukan untuk biologi. Melangkah ke dalam projek genom, kami menganggap majoriti kawasan-kawasan yang paling konservatif yang penting secara fungsional akan berada dalam gen-bahagian-bahagian genom yang secara langsung menjadi kod bagi protein. Ternyata, majoriti urutan yang paling sangat konservatif dan tidak dapat dielakkan berfungsi tidak di wilayah pengekodan protein; mereka berada di luar gen.
Jadi apa yang mereka buat? Kita tidak tahu semuanya. Tetapi kita tahu banyak dari mereka pada dasarnya adalah suis litar, seperti suis dimmer untuk cahaya, yang menentukan di mana dan kapan dan berapa banyak gen yang dihidupkan. Ia lebih rumit pada manusia daripada organisma rendah seperti lalat dan cacing. Jadi kerumitan biologi kita tidak begitu banyak dalam bilangan gen kita. Ia berada dalam suis kompleks, seperti suis dimmer, yang mengawal di mana, kapan, dan berapa banyak gen dihidupkan.
Apa yang kita telah tinggalkan untuk mengetahui?
Apabila anda berfikir tentang bagaimana genom berfungsi, itu memikirkan cara kerjanya biasanya bagi kita semua. Tetapi penekanan besar lain dalam genomik-terutama dalam 10 tahun yang lalu-adalah untuk memahami bagaimana genom kita berbeza. Jadi di sana anda boleh menekankan 0.1 peratus daripada genom kita yang berbeza berbanding satu sama lain dan bagaimana perbezaan tersebut membawa kepada proses biologi yang berlainan. Jadi di sana, pengertian variasi sangat, sangat penting, dan kemudian mengaitkan variasi itu kepada akibat yang berbeza, penyakit mana yang menjadi sebahagian besarnya.
Terdapat kemajuan yang luar biasa, hanya kemajuan yang luar biasa. Sekarang kita tahu asas genom bagi hampir 5, 000 penyakit genetik langka. Apabila projek genom bermula, terdapat hanya beberapa sedozen penyakit yang kita faham tentang mutasi yang menyebabkan penyakit itu. Itulah perbezaan besar. Kini kita tahu banyak, beratus-ratus dan beratus-ratus wilayah genom manusia yang mengandungi varian-kita tidak tahu varian yang mana-yang memberikan risiko untuk penyakit genetik yang lebih rumit, seperti hipertensi dan diabetes dan asma, penyakit kardiovaskular dan sebagainya .
Kami telah mengalami kekurangan ilmu pengetahuan di mana untuk melihat genom untuk varian-varian ini sehingga kini mempunyai kawasan-kawasan yang sangat diskrit. Jadi, ini adalah penekanan yang besar sekarang dalam genomik, cuba memahami varian yang berkaitan dengan penyakit dan apa yang perlu dilakukan terhadap mereka.
