Десять лет назад международная исследовательская группа завершила амбициозную попытку прочитать 3 миллиарда писем генетической информации, найденных в каждой клетке человека. Программа, известная как проект «Геном человека», предоставила план человеческой жизни, достижение, которое можно сравнить с посадкой человека на Луну.
Доктор Эрик Д. Грин принимал участие с самого начала, совершенствуя некоторые ключевые технологии, используемые в проекте. В то время он был докторантом и резидентом патологии в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Он вырезал свои 5 процентов генома, сосредоточившись на картировании ДНК хромосомы 7. Сегодня Грин является директором Национального исследовательского института генома человека, который продвигает понимание генома человека посредством исследований геномики.
Давайте вернемся к середине и концу 1980-х годов, когда впервые была разработана идея проекта «Геном человека». Какова была мотивация в то время?
Это зависит от того, кого вы спрашиваете. У разных людей были разные мотивы. Имейте в виду, что 70-е и начало 80-х были эпохой революции в молекулярной биологии. Были достигнуты значительные успехи в методах, которые позволили нам выделять и изучать ДНК в лаборатории.
Например, в США министерство энергетики очень заинтересовалось идеей изучения генома из-за интереса к мутации и процесса мутации, связанного с некоторыми видами энергии, такими как ядерная энергия.
Если вы отправляетесь в такие места, как Национальные институты здоровья, или вы смотрите на биомедицинских исследователей и исследователей, связанных со здоровьем, они были очень заинтересованы в возможности выяснить генетическую основу заболевания. Среди многих генетических заболеваний, которые рассматривались, конечно, был рак.
Многие другие люди из всего спектра биомедицинских исследований - даже те, кто работает с модельными организмами, такими как мухи, черви и дрожжи, - признали, что если бы мы могли выяснить, как всесторонне взглянуть на сложные геномы, начиная с мух и червей и дрожжей, но затем работая На пути к людям это дало бы основную информацию для понимания того, как работает геном.
Было объединение множества различных идей, которые на фоне постепенных, но важных технологических достижений создавали впечатление, что, хотя и сложно, проблема секвенирования генома человека и определения порядка 3 миллиардов букв была выполнима.
Откуда взялся материал для проекта генома? Чей это был геном?
Когда начался проект генома, он все еще был довольно частичным. Разные люди делали разные коллекции и фрагменты ДНК, называемые библиотеками, которые представляют собой просто клонированные фрагменты ДНК. Они будут делать это от кого угодно: иногда это будет заведующий лабораторией, иногда аспирант или аспирант. Они просто взяли бы ДНК тогда, когда на самом деле не было никаких последствий этого.
Но потом, когда наконец пришло время создавать библиотеки, которые собирались использовать для секвенирования генома человека в рамках проекта «Геном человека», человеком, который был лучшим человеком для создания этих библиотек, был ученый, работавший в Институте рака им. Розуэлла Парка. в Буффало, Нью-Йорк. [Команда] получила информированное согласие от 10 или 20 анонимных доноров крови, а затем выбрала одного из них наугад, и это был человек. Около 60 процентов последовательности генома человека, созданной в рамках проекта «Геном человека», было получено от одного донора крови в Буффало, штат Нью-Йорк.
Но, знаете, это не имеет значения. Если вы посмотрите на последовательность генома человека, сгенерированную в рамках проекта «Геном человека», это похоже на мозаику. Вы можете пойти на сто тысяч писем, и это может быть один человек из Буффало. Может случиться так, что вы пройдете следующие сто тысяч, и это будет кто-то другой. И следующие сто тысяч, кто-то еще. Все это послужило ссылкой. И поскольку все люди идентичны на 99, 9% на уровне последовательности, эта первая последовательность не обязательно должна быть реальным человеком. Это может быть просто гипотетическая ссылка на человека.
Из всей этой информации, почему вы решили сосредоточиться на хромосоме 7 [человеческий геном имеет 23 хромосомы]?
Это было несколько произвольно. Мы хотели выбрать хромосому, которая не была бы слишком большой. Мы не хотели выбирать тот, который был слишком маленьким. Мы знали, что будет много работы, поэтому мы выбрали хромосому среднего размера.
Мы не хотели выбирать тот, на котором уже работало много людей. На тот момент самым известным геном на хромосоме 7 был ген муковисцидоза, который был обнаружен в 1989 году. И мы фактически изолировали некоторые из этих областей и проводили некоторые экспериментальные исследования.
Правда в том, что мы выбрали его, потому что он был не слишком большим, не слишком маленьким и не слишком переполненным. Это был произвольный способ начать; к тому времени, когда проект генома закончился, большинство исследований проводилось по всему геному.
Как работа изменилась за время существования проекта?
Вся история геномики - это история развития технологий. Если вы проследите, где были достигнуты огромные успехи, каждый из них был связан с резкими скачками технологий. В начале проекта генома пришла волна, что у нас были лучшие способы выделения больших кусков ДНК.
Когда мы секвенировали меньшие по размеру геномы организмов, такие как плодовые мушки дрозофилы, мы в основном индустриализировали процесс секвенирования, делая его все более автоматизированным.
Когда начался проект по геному, была идея: «Давайте секвенируем геномы мух, червей и дрожжей, всех этих более мелких организмов, используя метод дня», который был разработан Фредом Сангером в 1977 году. не заставит ускоритель начать секвенирование генома человека, пока не станет доступен новый революционный метод секвенирования. Поэтому было приложено много усилий для разработки новых сумасшедших способов секвенирования ДНК.
Когда в 1997 или 1998 году пришло время задуматься о том, чтобы начать секвенировать геном человека, все сказали: «Может быть, нам не нужно ждать революционного метода, может быть, мы постепенно улучшили старомодный метод?» достаточно, чтобы его можно было использовать », и это действительно то, что было решено.
Тем не менее, начиная с проекта генома, то, что изменило лицо геномики, было революционно новыми технологиями секвенирования, которые наконец появились на сцене примерно к 2005 году.
Как эти улучшения изменили стоимость и время, необходимое для последовательности?
Проект «Геном человека» занял от шести до восьми лет активного секвенирования, и, с точки зрения активного секвенирования, они потратили около миллиарда долларов на создание первой последовательности генома человека. В тот день, когда проект по геному закончился, мы спросили у наших секвенирующих групп: «Хорошо, если вы собираетесь предположить последовательность второго генома человека, гипотетически, сколько времени это займет и сколько это будет стоить?» С обратной стороны конверта расчет, они сказали: «Ого, если бы вы дали нам еще 10–50 миллионов долларов, мы могли бы сделать это через три-четыре месяца».
Но теперь, если вы пойдете туда, где мы находимся сегодня, вы можете создать последовательность человеческого генома примерно через день или два. К концу этого года пройдет около суток. И это будет стоить всего от 3000 до 5000 долларов.
Каковы были основные результаты первого генома и последующие?
Есть новые открытия, которые приходят каждый день. В первые 10 лет существования последовательности генома человека я думаю, что мы ежедневно накапливаем все больше и больше информации о том, как работает геном человека. Но мы должны признать, что даже через 10 лет мы находимся только на ранних этапах интерпретации этой последовательности. Через десятилетия мы все равно будем ее интерпретировать и переосмысливать.
Например, некоторые из самых ранних вещей, которые мы узнали, у нас гораздо меньше генов, чем предсказывали некоторые люди. Когда геном начался, многие люди предсказывали, что у людей, вероятно, было 100 000 генов, и у них было бы значительно больше генов, чем у других организмов, особенно более простых организмов. Оказывается, это не так. Оказывается, у нас гораздо меньшее количество генов. На самом деле, мы, вероятно, больше похожи на 20000 генов. И это всего на несколько тысяч больше, чем мух и червей. Так что наша сложность не в нашем генном числе. Наша сложность в другом месте.
Другое удивление произошло, когда мы начали секвенировать других млекопитающих - в частности, геном мыши, геном крысы, геном собаки и так далее, и к настоящему времени мы секвенировали 50, 60, 70 таких геномов. Вы выстраиваете эти последовательности генома в компьютере и смотрите, где находятся последовательности, которые очень консервативны, другими словами, в течение десятков миллионов лет эволюционного времени, где последовательности не изменились вообще. Высокоэволюционные консервативные последовательности с высокой степенью эволюции почти наверняка указывают на функциональные последовательности. Это вещи, которые жизнь не хочет менять, и поэтому они сохраняют их неизменными, потому что они выполняют некоторые жизненно важные фундаментальные функции, необходимые для биологии. Переходя к проекту генома, мы подумали, что большинство тех наиболее консервативных областей, которые были функционально важны, будут находиться в генах - частях генома, которые непосредственно кодируют белки. Оказывается, большинство наиболее высококонсервативных и неизбежно функциональных последовательностей не находятся в областях, кодирующих белки; они вне генов.
Так что они делают? Мы не знаем их всех. Но мы знаем, что многие из них в основном являются переключателями, например диммерными выключателями для освещения, которые определяют, где, когда и в какой степени включается ген. У людей это намного сложнее, чем у низших организмов, таких как мухи и черви. Таким образом, наша биологическая сложность заключается не столько в количестве генов. Именно в сложных переключателях, таких как переключатели диммера, они регулируют, где, когда и на сколько включаются гены.
Что нам осталось выяснить?
Когда вы думаете о том, как работает геном, вы думаете о том, как он работает для всех нас. Но другой большой акцент в геномике, особенно в последние 10 лет, заключается в том, чтобы понять, чем отличаются наши геномы. Таким образом, вы можете выделить 0, 1 процента наших геномов, которые отличаются друг от друга, и как эти различия приводят к различным биологическим процессам. Таким образом, понимание вариаций очень, очень важно, а затем соотносить эти вариации с различными последствиями, из которых болезнь является основной его частью.
Были замечательные, просто действительно замечательные достижения. Теперь мы знаем геномную основу почти 5000 редких генетических заболеваний. Когда начался проект генома, было всего несколько десятков болезней, для которых мы поняли, что мутация вызывает это заболевание. Это огромная разница. Теперь мы знаем многие, многие сотни и сотни областей человеческого генома, которые содержат варианты - мы еще не знаем, какие варианты - которые создают риск для более сложных генетических заболеваний, таких как гипертония и диабет и астма, сердечно-сосудистые заболевания и так далее.,
Мы перешли от полного отсутствия знаний о том, где искать в геноме эти варианты, к тому, что теперь у нас есть очень дискретные регионы для поиска. Так что сейчас в геномике это большой акцент, пытаясь понять, какие варианты имеют отношение к болезни и что с ними делать.
