Cały genom ludzki rozpracowany. Ale to nie koniec

Osobom śledzącym sekwencjonowanie genomów ludzi i innych organizmów żywych mogło wydawać się, że po epokowym osiągnięciu Celera Genomics i International Human Genome Sequencing Consortium z 2001 r. ludzki genom nie kryje już żadnych tajemnic. Nie mieli racji. Ten pierwszy draft był wielokotnie uzupełniany. A najważniejsze poprawki Genome Reference Consortium naniosło w 2013 i 2019 r.

Mimo to ciągle nieodczytane zostały bardzo trudne do sekwencjonowania fragmenty heterochromatyny, czyli maksymalnie skondensowane obszary ludzkiego DNA. Te nieznane sekwencje stanowiły aż 8 proc. całego genomu i mieściły się głównie w tzw. obszarach telomerowych, czyli na końcach poszczególnych chromosomów. Teraz, dzięki publikacji z bioRxiv, której głównym autorem jest prof. Evan E. Eichler z University of Washington School of Medicine w Seattle, dowiadujemy się o ich rozszyfrowaniu.

Podstęp z zaśniadem groniastym

Największą trudnością w uzyskaniu pewnego zapisu wielu sekwencji DNA jest to, że genom ludzki jest diploidalny. Składa się z dwóch zestawów genów – jednego z plemnika, a drugiego z komórki jajowej – i połączonych ze sobą w procesie zapłodnienia.

Najgorsze dla genetyków sekwensujących DNA jest jednak to, że każda z tych części genomu ma inny zapis nukleotydów – właśnie dlatego, że każda z nich ma różne pochodzenie. Jeden zestaw zawiera geny ojcowskie, a drugi matczyne, a jak wiadomo w tych samych miejscach obu DNA znajdują się inne allele, a więc różne sekwencje DNA. To dlatego trudno jest przyporządkować pewne sekwencje nukleotydów do jednej lub drugiej nici DNA, i można łatwo pomylić zapis z jednej nici z zapisem z drugiej.

Żeby ułatwić sobie pracę nad najtrudniejszymi do rozszyfrowania fragmentami genomu, naukowcy uciekli się do podstępu. Wykorzystali linie komórkowe uzyskane z tzw. zaśniadu groniastego. Jest to rzadko spotykany twór utworzony z tkanek powstających w wyniku ciąży patologicznej, kiedy połączenie z plemnikiem sprawia, że komórka jajowa traci swój materiał genetyczny.

Do normalnego rozwoju człowieka (i innych ssaków), niezbędna jest obecność ojcowskiej i matczynej komponenty genetycznej. Decyduje o tym zjawisko tzw. imprinting genetycznego, który uniemożliwia pełny rozwój zarodków androgenetycznych – czyli zawierających tylko DNA ojca, lub gynogenetycznych – zawierających wyłącznie DNA matczyne. Dlatego zaśniad groniasty rozwija się w macicy tylko do pewnego momentu, a później obumiera. Jednak można z niego uzyskać linie komórkowe zdolne do wzrostu w warunkach laboratoryjnych.

Zastosowane przez naukowców komórki pochodzące z zaśniadu groniastego miały podwójny zestaw genów wyłącznie ojcowskich, i to pochodzących z powielenia tego samego genomu jednego mężczyzny. Ominięto w ten sposób komplikacje związane z obecnością ojcowskiej i matczynej nici DNA w normalnym diploidalnym genomie człowieka. Zastąpienie dwóch różnych nici DNA dwiema takimi samymi usunęło ten problem i dzięki temu udało się jednoznacznie odczytać brakujące 8 proc. ludzkiego genomu.

Mapa mutacji i anomalii

Teraz jednak genetycy człowieka stoją przed nowym zadaniem. Wiadomo przecież, że genomy poszczególnych grup etnicznych, czy osób obarczonych chorobami genetycznymi, znacznie różnią się zawartością. Poznanie wszystkich wariantów zapisu ludzkiego DNA ułatwiłoby rozwój medycyny, która uwzględnia różnice genetyczne występujące u poszczególnych pacjentów. Pierwszy draft ludzkiego genomu sprzed 21 laty oparty był na sekwencjach uzyskanych od 11 osób, ale aż 70 proc. gotowej sekwencji pochodziło od jednej osoby. Nie było więc tutaj mowy o wskazaniu różnic genetycznych między różnymi osobnikami.

Dlatego prof. Eichler zapoczątkował w 2019 r. Human Pangenome Project – przedsięwzięcie warte 30 mln dol. i sposorowane przez US National Human Genome Research Institute w Bethesda w stanie Maryland. Wstępnie uczony chce zbadać dokładnie i porównać ze sobą genomy pochodzące od 350 osób z różnych regionów świata i z różnymi życiorysami genetycznymi.

Ostatecznym celem jest uzyskanie wirtualnego zapisu pangenomu ludzkiego, uwzględniającego wszystkie możliwe warianty genetyczne występujące w całej populacji ludzkiej. Mapy, która przedstawiałaby miejsca występowania wszystkich wykrytych mutacji i anomalii: od zmapowania wstawek lub ubytków pewnych części genomu, przez inwersje (odwrócenie) fragmentów DNA, po zmiany dotyczące pojedynczych nukleotydów (tzw. mutacje punktowe).

Dostęp do pangenomu umożliwiłby bardzo szybkie wyszukiwanie mutacji u osób obarczonych różnymi chorobami genetycznymi i łatwiejsze dobieranie skutecznych dla nich leków. Spersonifikowana medycyna genetyczna przyszłości ruszyłaby pełną parą.

Praca prof. Eichlera i jego kolegów jeszcze oczekuje na recenzje, ale jest już dostępna na platformie bioRxiv.