Genoma interpretācija

12 prototipi izskatās kā saliekami bērnu forti — saldētavu izmēra kastes, kas pārklātas ar spilgti sarkanu plastmasu un sagrupētas pa diviem un trīs uz betona grīdas uzņēmumā Pacific Biosciences, kas ir starta uzņēmums Menlo Parkā, Kalifornijā. Taču mašīnu vienkāršā ārpuse atspēko tās sarežģītību. Katrā kastē atrodas maza mikroshēma, kas pildīta ar tūkstošiem baktēriju vai vīrusu DNS šķiedru, katra no tām atrodas nano izmēra iedobē. Ferments, kas iestrēdzis katras iedobes apakšā, ātri izveido atbilstošu virkni, savienojot DNS bāzes vai ķīmiskās apakšvienības, kas pareizi savienojas ar sākotnējām. Katrs no četriem bāzes veidiem, ko apzīmē ar burtiem A, T, C un G, ir marķēts ar atšķirīgu fluorescējošu marķieri, ko aktivizē reakcija, kas piesaista jaunu bāzi virknei. Tā kā iekārta izseko reakcijas, kad tās notiek, tā var izdalīt neapstrādātus datus par DNS paraugu sekvencēm tikpat ātri, cik ar iebūvētu kameru var tās ierakstīt.

Īpaši ātra secība: Pacific Biosciences prototipu iekārtas tiek pārbaudītas ar baktēriju DNS.

Datora monitors, kas uzstādīts blakus katrai iekārtai, parāda notiekošās darbības momentuzņēmumu. Virkne gaismu izkliedējas pa ekrānu, ātri pēc kārtas plīst un izgaist. Katrs uzliesmojums ilgst tikai desmitiem milisekundes, bet tā krāsa norāda, kura no četrām bāzēm tikko ir pievienota DNS virknei, un tā atrašanās vieta norāda, kur. Videoklipa skatīšanai jābūt palēninātam: zibšņi nāk pārāk ātri, lai cilvēka acs tos nevarētu apstrādāt. Datoralgoritmi pārvērš uzplaiksnījumu modeli par simtiem līdz tūkstošiem bāzu garām DNS sekvencēm. Papildu algoritmi pēc tam salīdzina miljoniem šo DNS posmu, identificē sekvences, kas pārklājas to galos, un savieto detaļas kopā, lai iegūtu pilnīgu genomu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Runājot par DNS sekvencēšanu, laiks ir nauda, ​​un Pacific Biosciences komerciālās iekārtas, kuru iznākšana notiks 2010. gadā, varētu izrādīties ātrākās jebkad ražotās. Cilvēka genoma projektam bija nepieciešami aptuveni 300 miljoni USD un 13 gadi, lai izstrādātu trīs miljardu DNS bāzu pāru secību saliktā cilvēka genomā, un šis uzdevums tika pabeigts 2003. gadā. Līdz 2008. gada oktobrim pētnieki, kas izmantoja dažādu veidu jaunas iekārtas, tika sakot, ka viņi var sekvencēt atsevišķu genomu par mazāk nekā 100 000 USD; viens uzņēmums sola 5000 ASV dolāru genomu līdz nākamā gada pavasarim. Un Pacific Biosciences prognozē, ka līdz 2013. gadam tās iekārtas spēs sekvencēt cilvēka genomu 15 minūtēs par mazāk nekā 1000 USD.

Līdz šim zinātnieki ir sekvencējuši dažu cilvēku genomus, un tas viņiem ir devis vispārēju cilvēka mainīguma sajūtu. Taču ātra, lēta sekvencēšanas tehnoloģija varētu padarīt praktisku tūkstošiem, iespējams, miljonu cilvēku genomu nolasīšanu. Izķemmējot šos neskaitāmos genomus un saistot specifiskas DNS sekvences ar dažādām pazīmēm — roku, augumu, asinsspiedienu un uzņēmību pret trauksmi, lai nosauktu tikai dažus — zinātniekiem vajadzētu spēt atšķetināt ģenētisko variantu sarežģīto mijiedarbību, kas padara katru indivīdu unikālu. Vissvarīgākais ir tas, ka šāda veida sekvencēšanas spēja beidzot varētu atklāt izplatīto slimību iedzimto pamatu — mīklu, kas ģenētiķus ir apsmējusi gadu desmitiem.

Reportiera piezīmju grāmatiņa : Emīlija Singer

Tomēr faktiskā ietekme uz medicīnu ir daudz mazāk droša un var būt daudz mazāk pozitīva. Gandrīz divus gadu desmitus pētnieki ir apsolījuši, ka sekvencēšanas tehnoloģiju attīstība ļaus ārstiem praktizēt personalizētu medicīnu, mērķējot ārstēšanu uz pacientiem, pamatojoties uz viņu ģenētiskajiem profiliem. Tika pieņemts, ka ierobežots skaits izplatītu ģenētisko variantu varētu būt kādas konkrētas slimības pamatā, un ārsti varēs izrakstīt zāles, pamatojoties uz to, kādi varianti ir viņu pacientiem. Taču jaunākie dati liecina, ka pat visizplatītākās iedzimtas slimības, piemēram, diabēts un sirds slimības, ir saistītas ar daudziem dažādiem variantiem, un katrs no tiem ir salīdzinoši reti sastopams. Ja tā ir taisnība, tad personalizētās medicīnas praktizēšana var kļūt ļoti sarežģīta un ļoti dārga. Nebūtu labi, ja būtu 5000 USD genoms un 500 000 USD analīze, saka Frensiss Kolinss, bijušais Nacionālā cilvēka genoma pētniecības institūta direktors un Cilvēka genoma projekta vadītājs.

Ārpus parastajām variācijām
Genomiskā medicīna nopietni aizsākās 1980. gados, kad zinātnieki identificēja gēnus, kas saistīti ar tādām slimībām kā Dišēna muskuļu distrofija un cistiskā fibroze. Abas ir tā sauktās Mendeļa slimības, kas nozīmē, ka tās izraisa viena gēna mutācijas; Ikviens, kurš manto vienu vai divas mutētā gēna kopijas, atkarībā no slimības, tiks nomocīts. Pēdējo 20 gadu laikā pētnieki ir identificējuši gēnus vairākiem Mendeļa traucējumiem, un skrīninga testi, kuru pamatā ir šie atklājumi, ir noveduši pie agrākām diagnozēm. Traucējumu gadījumā, kas attīstās tikai tad, kad persona manto divas mutācijas kopijas, testi var identificēt veselus nesējus, palīdzot viņiem pieņemt labāk apzinātus lēmumus par bērnu radīšanu. Tomēr viena gēna traucējumi veido ļoti nelielu cilvēku slimību procentuālo daļu. Lielākajai daļai slimību ir daudz grūtāk noteikt ģenētiskos vainīgos.

Kad 90. gadu beigās zinātnieki sāka apkopot aptuvenu genoma secības projektu, viņi atklāja noderīgu parādību. Lieli DNS bloki, kas pazīstami kā haplotipa bloki, parasti tika nodoti neskarti paaudzēm. Dažādām šo bloku versijām, kas bija saistītas ar indivīda senču izcelsmi, bija raksturīgi kopīgu ģenētisko variāciju modeļi, kas pazīstami kā viena nukleotīda polimorfismi (SNP), kuros ģenētiskā secība atšķiras tikai par vienu DNS burtu. Tādējādi indikators SNP varētu kalpot kā marķieris apkārtējai DNS. Atklājums bija svētīgs ģenētiķiem — ja katrs bloks varētu rasties ierobežotā skaitā cilvēku populācijas šķirņu, būtu lieki pārbaudīt katru genoma bāzi, lai noteiktu, vai nav radušās izmaiņas, kas saistītas ar tādām izplatītām slimībām kā astma vai šizofrēnija. Konkrēta SNP klātbūtne norādītu, kuru haplotipa bloku indivīds nēsā.

Pētnieki izstrādāja ģenētiskus mikromasīvus, kas varētu ātri noteikt šo kopīgo SNP klātbūtni visā genomā; skenējot indikatora variācijas, kas ir salīdzinoši lēts process, mikromasīvi ir ļāvuši veikt līdz šim lielākos genoma pētījumus. Zinātnieki tos ir izmantojuši, lai desmitiem tūkstošu cilvēku genomu efektīvi meklētu SNP, kas biežāk sastopami cilvēkiem ar autismu vai Alcheimera slimību, piemēram, nekā veseliem cilvēkiem. Pēdējo divu gadu laikā ir publicēti daudzi pētījumi, kuros ir identificētas vairāk nekā 300 ģenētiskas variācijas, kas saistītas ar kopīgu iezīmju un slimību klāstu.

Taču šo atšķirību atrašana nav radījusi izrāvienu, kādu daži zinātnieki bija cerējuši, izprotot izplatīto slimību ģenētisko pamatu. Tas ir tāpēc, ka izrādās, ka tie veido tikai nelielu daļu no daudzu slimību ģenētiskā riska. Pētnieki ir identificējuši 18 gēnus, kas saistīti, piemēram, ar 2. tipa diabētu, un ir ieviesti testi, lai identificētu variācijas. Tomēr daudzi citi pārmantojami slimības riska faktori joprojām nav identificēti. Tas nozīmē, ka jaunie testi sniedz nepilnīgu priekšstatu par to, cik liela varbūtība kādam ir saslimt ar diabētu, apgrūtinot to izmantošanu, lai pielāgotu medicīniskus lēmumus. Ir ļoti maz iemesla iedrošināt to, ka profilakses stratēģijas var mainīt ar to, ko esam atklājuši līdz šim [parasto slimību ģenētiskā pamata], saka Deivids Goldšteins, Durhamas Djūka universitātes Populācijas genomikas un farmakoģenētikas centra direktors. NC.

SNP medības ir jēgas, ja iedzimtais risks saslimt ar tādām slimībām kā 2. tipa diabēts rodas no daudzu kopīgu ģenētisku variāciju kombinācijas, no kurām katrai ir neliela ietekme. Bet ko tad, ja tā ir tikai daļa no stāsta? Ko darīt, ja lomu spēlē arī citi, retāki ģenētisko mutāciju veidi? Tā kā mikroshēmas tika izstrādātas, lai noteiktu parastos SNP, tām trūkst variāciju, kas parādās mazāk nekā 1 procentam iedzīvotāju. Šīs mutācijas ir alternatīvas hipotēzes uzmanības centrā, kurā, tāpat kā Mendeļa modelī, spēcīgas individuālās variācijas ievērojami veicina slimību. Saskaņā ar šo domāšanu jebkura no variācijām var rasties reti, bet, ja tās ietekmē tos pašus vai saistītos bioķīmiskos ceļus, tās var radīt līdzīgus rezultātus. Kopumā tie varētu padarīt traucējumus salīdzinoši izplatītu.

Vēl nesen tika pieliktas tikai ierobežotas pūles, lai meklētu retus variantus, kas saistīti ar izplatītām slimībām. Šī meklēšana var ietvert katra DNS burta izsijāšanu — to var izdarīt, tikai veicot secību. Izmantojot veco tehnoloģiju, tas bija pārāk dārgi, lai būtu praktiski. Taču, ņemot vērā neapmierinošos rezultātus, kas iegūti mikroarray pētījumos, zinātnieki pievēršas ātrām jaunām sekvencēšanas tehnoloģijām, lai stingri pārbaudītu reto variantu hipotēzi. Iespējams, ka liela daļa pārējās [slimības] iedzimtības slēpjas retos variantos ar lielu ietekmi, saka Kolinss. Ja mēs patiešām vēlamies izprast slimību genomiku, mums ir vajadzīgas pilnīgas genoma sekvences.

Joprojām nav skaidrs, cik retas variācijas veicina slimības, taču sāk iegūt pierādījumus. Šovasar publicētajā pētījumā Kalifornijas Universitātes Bērklijā biologi sekvencēja enzīma MTHFR gēnu, kas pārvērš B vitamīna folātu. (folijskābe) no vienas formas uz otru. Zinātnieki iepriekš bija identificējuši izplatītu ģenētisko variantu, kas rada novājinātu fermenta versiju, palielinot iedzimtu defektu un, iespējams, sirds slimību risku. Sekvenējot MTHFR gēnu 564 dažādu etnisko piederību cilvēkiem, Niks Marini un kolēģi atklāja četrus jaunus variantus, kas arī pasliktina enzīma darbību; mazāk nekā 1 procentam subjektu, šie varianti nebūtu nosakāmi mikroarray pētījumos.

Personīgais genoms
Nesenajā konferencē cienījamā Cold Spring Harbor laboratorijā Longailendā Džeimss Vatsons, DNS struktūras atklājējs, sēdēja guļamzāles pirmajā rindā zem liela sava portreta. Vatsons, kurš kādu laiku vadīja Cilvēka genoma projektu, 2007. gadā veica genoma sekvencēšanu. Viņa genoms bija tikai otrais atsevišķais genoms, kas tika pilnībā kartēts. (Kreigs Venters, kurš vadīja privātos centienus sekvencēt genomu, kā paraugu izmantoja savu DNS.)

Vatsons nav pazīstams ar to, ka sēž pie secīgām konferenču prezentācijām. Bet liela daļa šīs konferences bija par viņu. Viņš apmeklēja sarunu pēc sarunas, kamēr zinātnieki prezentēja savu analīzi par to, kas ir mīļi pazīstams kā projekts Džims. Vatsons ir šķietami vesels 80 gadus vecs vīrietis, un viņa genoma pārbaudes rezultāti līdz šim ir bijuši diezgan ikdienišķi. Viņam ir papildu ģenētisko variāciju kopijas, kas parādītas iepriekšējos pētījumos, lai aizsargātu, piemēram, pret sirds slimībām un makulas deģenerāciju. Sākotnēji satraucoša mutācija BRCA1 gēns, kas ir saistīts ar krūts vēzi, izrādījās nekaitīgs. Bet lielākā daļa Vatsona genoma joprojām nav interpretējama. Zinātniekiem vēl ir jāatrod ģenētiska sastāvdaļa viņa intelektam vai zinātkārei, vai viņa tieksmei uz politiski nekorektiem izvirdumiem. Varbūt pats svarīgākais Vatsonam ir tas, ka vēl nav skaidrs, vai viņam ir ģenētiska neaizsargātība pret šizofrēniju, ko viņš nodeva savam dēlam, kuram ir šī slimība.

Cilvēka genoma projekta atsauces secība, kas sastāv no vairāk nekā 20 indivīdu ģenētiskās informācijas, sniedza zinātniekiem genoma pamata plānu. Bet vienam genomam ir savas robežas. Tikai salīdzinot vairākus genomus, zinātnieki var sākt saprast ģenētisko mainīgumu, kas ir pamatā neaizsargātībai pret slimībām vai neprātam, tieksmei uz sportisku veiklību vai matemātikas ģēniju, tieksmi uz altruismu vai agresiju.

Pat Vatsons, kurš savu karjeru ir pavadījis, cenšoties izprast DNS, šķiet mazāk nekā pārsteigts, redzot viņa genoma detaļas. Mēs redzēsim, vai kāds no tiem manam dzīves ilgumam palielinās piecas minūtes, viņš atzīmēja konferencē. Patiešām, vairuma viņa ģenētisko dīvainību nozīme paliks noslēpums, līdz viņam pievienosies daudz vairāk cilvēku, lai veiktu genomu sekvencēšanu.

PGP 10: Pirmajiem 10 brīvprātīgajiem personīgā genoma projektā pašlaik tiek sekvencēti viņu genomu kodējošie reģioni; neliela secības daļa ir parādīta tiem, kuru dati ir ievietoti tiešsaistē. Secības dati tiks glabāti publiskā datu bāzē kopā ar brīvprātīgo medicīniskajiem ierakstiem un citu informāciju, piemēram, viņu sejas morfoloģiju (ko mēra ar pieres lentēm). Zinātnieki izmantos datubāzi, kurā, domājams, galu galā būs 100 000 cilvēku, lai meklētu saiknes starp gēniem un slimībām vai citām īpašībām.

Hārvardas Medicīnas skolas ģenētiķis Džordžs Čērčs, kurš ir strādājis pie sekvencēšanas tehnoloģijas kopš doktora grāda iegūšanas Hārvardā 1980. gadu sākumā, cenšas paātrināt šo procesu. Pirms trim gadiem Baznīca uzsāka Personīgā genoma projektu (PGP), kura mērķis ir apkopot ģenētiskos un medicīniskos datus no tūkstošiem cilvēku nākamo piecu gadu laikā. Projekts norāda ne tikai uz tehniskajiem un zinātniskajiem izaicinājumiem, ko varētu radīt liela mēroga cilvēka genomu sekvencēšana, bet arī ētikas problēmas.

Izmēģinājuma fāzē projekts koncentrēsies uz 10 brīvprātīgajiem, tostarp Čērču, Hārvardas psihologu Stīvenu Pinkeru un uzņēmēju Esteri Disoni. Sākumā tas sekvencēs to genomu kodējošos reģionus - 1 procentu DNS, kas vada proteīnu ražošanu. Šī informācija kopā ar dalībnieku medicīnisko vēsturi (tostarp recepšu shēmām) un informāciju par viņu augumu, svaru, roku un citām īpašībām tiks glabāta publiskā datu bāzē. Baznīcas komanda cer, ka šī datubāze kalpos kā resurss zinātniekiem vai pat sabiedrības locekļiem, kuri vēlas meklēt saiknes starp specifiskām ģenētiskām variācijām un slimībām vai citām iezīmēm.

Pirmais datu kopums, kas dalībniekiem tika publicēts oktobrī, liecina gan par sekvencēšanas solījumu, gan pašreizējiem ģenētiskās analīzes ierobežojumiem. Džons Halamka, Hārvardas Medicīnas skolas CIO un vēl viens no 10 sākotnējiem brīvprātīgajiem, uzzināja, ka viņam ir Charcot Marie-Tooth slimības, iedzimta neiroloģiska traucējuma, mutācija. Šī retā variācija nebūtu atrasta ar esošajiem SNP masīviem. Taču, tā kā Halamka bērnību pārdzīvoja neskarta un ir pierādīts, ka tikai trīs citi cilvēki pasaulē nesuši šo konkrēto mutāciju, ir grūti zināt, kāda ir tā ietekme uz viņa veselību, ja tāda ir bijusi. Iespējams, ka daudzi cilvēki pārnēsā šīs variācijas bez negatīvām sekām, un saikne starp slimību un mutāciju ir pārspīlēta. Vai varbūt gēnam ir plašāka ietekme, nekā gaidīts, palielinot citu neiroloģisko slimību risku. (Vai arī, kā atzīmē Džordžs Čērčs, atradums var būt vienkārši kļūda.)

Jo lielāks ir ierakstu skaits datu bāzē, jo vieglāk būs saprast tādu atradumu kā Halamka. Un 2008. gada aprīlī Baznīcas komanda saņēma Hārvardas atļauju paplašināt projektu no 10 līdz 100 000 dalībniekiem. (Baznīca plāno lēnām palielināt mērogu, katru gadu reizinot priekšmetu skaitu ar 10.) Šajā nākamajā fāzē tiks nopietni pārbaudīta gan tehnoloģija, kas tiek izmantota genomu sekvencēšanai, gan stratēģijas, kas tiek izmantotas iegūto datu interpretēšanai. Novembrī, aptuveni gadu pēc projekta, PGP zinātnieki bija sasnieguši tikai aptuveni piekto daļu no sākotnējo brīvprātīgo genomu kodēšanas reģionu sekvencēšanas. (Baznīca plāno paplašināt PGP, iekļaujot visu genomu, tiklīdz sekvencēšana kļūs pietiekami lēta.) Ja viņi vēlas sekvencēt vēl tūkstošiem genomu, sekvencēšanas tehnoloģijai būs jākļūst tik ātrai un izturīgai, cik baznīca uzskata, ka tā var būt.

Pārāk daudz informācijas
PGP datu izmantošana radīs savas problēmas. Pirmkārt, Čērčai un viņa komandai būs jāizdomā labākais veids, kā sniegt rezultātus lielākai brīvprātīgo grupai. Pirmie 10 saņēma individuālu ģenētisko konsultāciju no Džozefa Thakuria, projekta medicīnas direktora un klīniskā ģenētiķa Hārvardas Medicīnas skolā. Taču Thakuria nevarēs sniegt padomu tūkstošiem jaunu priekšmetu. Ņemot vērā ģenētiķu un ģenētisko konsultantu ar atbilstošu apmācību trūkumu, šī problēma gandrīz noteikti tiks atspoguļota daudz plašāk, jo personīgā genomika kļūst pieejamāka.

Bet lielākais izaicinājums nākamajā cilvēka genomikas fāzē, visticamāk, būs interpretēt šķietami nebeidzamo variāciju klāsta nozīmi, kas tiks atklāta. Atsevišķas ģenētiskas izmaiņas rodas nejauši, un dažas ir nekaitīgas. Citi ir bīstami, izjaucot dažus svarīgus šūnu procesus un palielinot slimību risku. Un daži var būt pat noderīgi, piemēram, uzlabojot toksīnu sadalīšanos un tādējādi aizsargājot pret noteiktām slimībām. Taču bieži vien nav iespējams noteikt, kurā klasē ietilpst variants, tikai to aplūkojot. Un, tā kā jaunās tehnoloģijas ļauj zinātniekiem secināt liela cilvēku skaita genomus, zināmo variantu saraksts ātri pieaugs. Šī informācija būs sarežģīta un problemātiska interpretācijas ziņā, saka Džeimss Evanss, ģenētikas un medicīnas profesors no Ziemeļkarolīnas universitātes Chapel Hill. Mums visiem ir mutācijas un izmaiņas, kuras mēs vienkārši nesaprotam. Kā parasti, tehnoloģija apsteigs mūsu spēju to izmantot.

Jaunās genoma informācijas sarežģītība var būt arī šķērslis personalizētajai medicīnai, ko vajadzēja ieviest, veicot gēnu sekvencēšanu. Pētnieki ir cerējuši izveidot testus, kas prognozētu indivīda risku saslimt ar konkrētu slimību vai atklātu, kuras zāles, visticamāk, iedarbosies vislabāk. viņam vai viņai. Taču ģenētiskie testi, kas atklāj jaunatklātas variācijas, nebūs īpaši noderīgi, kamēr zinātnieki nevarēs noskaidrot, ko šīs variācijas nozīmē. Un, ja daudzas izplatītas slimības izraisa reti varianti, uzdevums būs milzīgs. Lai izprastu risku, kas balstīts uz retiem variantiem, mums būs nepieciešami gadi, saka Dītrihs Stefans, personīgās genomikas startup Navigenics dibinātājs un galvenais zinātnes darbinieks.

Daži zinātnieki domā, ka genomikas patiesā vērtība var nebūt personalizētajā medicīnā. Viņi saka, ka tas patiešām atmaksāsies, padziļinot mūsu izpratni par slimībām un palīdzot pētniekiem atklāt jaunus narkotiku mērķus. Ģenētiskās kartēšanas galvenā vērtība nav riska prognozēšana, bet gan jaunu ieskatu sniegšana par slimību mehānismiem, nesen žurnālā Science publicētajā rakstā rakstīja Deivids Altšulers, ārsts un ģenētiķis Plašā institūtā Kembridžā, MA. Faktiski Altshuler norāda, ka pat retu ģenētisku izmaiņu noteikšana var palīdzēt lielam skaitam pacientu. Piemēram, pētījumi par iedzimtu augsta holesterīna formu, kas konstatēta mazāk nekā 0,2 procentiem iedzīvotāju, ļāva atklāt zema blīvuma lipoproteīnu (ZBL) receptoru, kas palīdz izvadīt lieko holesterīnu no asinsrites. Tas savukārt noveda pie tādu blokbusteru zāļu izstrādes, kas pazīstamas kā statīni, holesterīna līmeni pazeminošas zāles, kas izraisa ZBL receptoru skaita palielināšanos uz aknu šūnu virsmām.

Neviens nezina, kad pienāks nākamais grāvējs. Prognozēšana par genomikas priekšrocībām ir kļuvusi tikpat nepateicīga kā mēģinājums paredzēt pašu slimības risku. Un jo vieglāk ir secināt genomu, jo grūtāk kļūst izprast sekvenču sarežģītību. Kā norāda Kolinss, Cilvēka genoma projekts, iespējams, bija vienkāršs pasākums, salīdzinot ar to, ar ko mēs saskaramies tālāk.

Emīlija Singere ir Tehnoloģiju apskats vecākais biomedicīnas redaktors.

paslēpties