Pierwsza kompletna sekwencja ludzkiego genomu. Ekspert o przełomowym odkryciu naukowców 

W pierwszych dniach kwietnia 2022 r. międzynarodowa grupa naukowców zrzeszona w konsorcjum Telomere-to-Telomere (T2T) przedstawiła pierwszą kompletną sekwencję ludzkiego genomu. To przełomowe osiągnięcie, bo choć już 20 lat temu wielki projekt Human Genome Project ujawnił ogromną większość sekwencji ludzkiego DNA - 92 procent, to osiem procent pozostawało do tej pory zagadką.

Jak powiedział profesor Paweł Golik, genetyk, dyrektor Instytutu Genetyki i Biotechnologii Uniwersytetu Warszawskiego, projekt ten nie ujawnił "takich genów, których odpowiedników byśmy wcześniej nie znali, czyli czegoś innowacyjnego". - Mimo tego poznawczo, ale też praktycznie, dla genomiki człowieka jest to ogromnie ważne odkrycie. Z wielu powodów - zaznaczył.

- Po pierwsze, dotychczasowe metody poznawania genomu skupiały się na odczytywaniu sekwencji, czyli kolejności nukleotydów w cząsteczce DNA, dosyć krótkimi fragmentami. Z tych fragmentów starano się potem "poskładać" całe genomy. Natomiast tym, co zostawało do tej pory pomijane i niedostatecznie zrozumiane, był fakt, że w genomie organizmów wielokomórkowych, a więc także człowieka, bardzo duża liczba obszarów składa się z wielu takich samych (lub podobnych do siebie) powtórzeń jakichś odcinków. Dotychczasowe metody badania genomu nie pozwalały na zbadanie właśnie tych powtórzonych fragmentów - mówił genetyk.

Jak wytłumaczył "jeżeli dzielimy coś na maleńkie kawałki i potem chcemy złożyć z nich jakąś całość, to okazuje się, że taki mały kawałek może pasować do różnych miejsc, może powtarzać się w wielu kopiach". - A my nie wiemy na początku ani tego, ile tych kopii jest, ani jak są ułożone. Algorytmy komputerowe, które dotąd składały z odczytywanych odcinków sekwencje genowe, zupełnie nie radziły sobie z takimi powtórzeniami. W związku z tym genom, który został ogłoszony przed 20 laty, zawierał sporo luk. Właśnie tam, gdzie występują sekwencje powtórzone - wskazał ekspert.

Jaką rolę w genomie człowieka pełnią takie sekwencje? Profesor Golik powiedział, że "są one charakterystyczne na przykład dla rejonów chromosomów zwanych centromerami".

Wyjaśnił, że "to te fragmenty, które są potrzebne, żeby w czasie podziału komórkowego chromosomy podzieliły się równo do komórek potomnych". Chodzi o charakterystyczne przewężenie, miejsce gdzie łączą się ramiona w chromosomie. - Właśnie do niego przyczepiają się włókna cytoszkieletu, biorące udział w podziale komórkowym, rozrywają go, a chromosom rozdziela się do powstających komórek potomnych - wytłumaczył dyrektor Instytutu Genetyki i Biotechnologii UW.

- I my dopiero teraz w pełni poznaliśmy te obszary genomu. Dzięki temu będziemy w stanie lepiej badać, jak dokładnie przebiega proces podziału komórkowego. To z kolei może mieć znaczenie dla zrozumienia pewnych zaburzeń genetycznych, ponieważ istnieją takie zaburzenia, które są wynikiem nierównego rozchodzenia się chromosomów. Najczęściej są to bardzo poważne wady, do których dochodzi na etapie powstawania gamet, a które wiążą się z nieprawidłową liczbą chromosomów. Ale tego typu zjawiska zachodzą także w komórkach nowotworowych. I to także będzie aspekt, który wreszcie będziemy mogli zbadać - wyjaśnił profesor. Dodał, że właśnie dlatego "ten genom, który teraz uzyskano, jest już kompletny, pozbawiony luk".

- Kolejną bardzo ważna rzeczą jest to, że wcześniejsza modelowa sekwencja genomu człowieka była swego rodzaju składanką - ustalono ją w oparciu o różne komórki pochodzące od różnych osób. W związku z tym ona nie reprezentowała żadnego konkretnego genotypu żadnego konkretnego człowieka. Tym razem jest to już pojedynczy, konkretny genotyp. Może nie od osoby, bo pochodzi od zaśniadu groniastego - takiego tworu, który powstaje, gdy nieprawidłowo przebiegnie proces zapłodnienia i rozwoju zarodkowego, ale jednak jest to genom w pełni ludzki - wskazał prof. Golik

Na pytanie, dlaczego tyle lat zajęło opisanie ostatnich ośmiu procent sekwencji DNA, odpowiedział, że "dopiero w ciągu ostatniej dekady pojawiły się techniki pozwalające na sekwencjonowanie DNA nie tylko maleńkimi fragmentami, o których mówiliśmy wcześniej, ale i znacznie dłuższymi". - To umożliwiło nam poznanie obszarów złożonych z wielu powtarzających się fragmentów DNA - dodał.

Dyrektor Instytutu Genetyki i Biotechnologii UW przekazał, że powstało konsorcjum będące kolejnym etapem projektu T2T, które "będzie badać pełne genomy bardzo różnych ludzi".

Co to oznacza? - Uzyskamy kompletne sekwencje przedstawicieli różnych populacji i grup etnicznych zamieszkujących różne regiony naszej planety. To niezwykle ważne, bo choć dysponujemy już dość bogatymi bazami danych zmienności genetycznej na Ziemi, łącznie z próbkami DNA kopalnego sprzed dziesiątków tysięcy lat, to elementem, który nam do tej pory umykał, była właśnie zmienność w obrębie tych obszarów powtórzonych. A on też odgrywa bardzo ważną rolę w ewolucji. Mając te nowe narzędzia, będziemy mogli lepiej odtwarzać historię naszego gatunku - opisał.

Profesor Golik powiedział, że ludzie różnią się od siebie fragmentami powtórzonymi DNA. - Wiemy o tym, że jest między nami duże zróżnicowanie w obrębie powtórzeń i w ich liczbie. Do tej pory były to regiony dla nas niedostępne. A teraz, kiedy mamy już kompletny wzorzec oraz techniki pozwalające go badać, możemy poznać całość zmienności genetycznej człowieka - wytłumaczył. Jak dodał, "jestem przekonany, że dopiero w tych kolejnych etapach projektu poznawania genomu ludzkiego, będą się pojawiały spektakularne odkrycia".

Badania mogą dać nam także odpowiedzi na pytania o choroby i cechy człowieka, które - jak powiedział specjalista - "decydują o tym, że każdy z nas jest inny". - Na to składa się kombinacja działania genów i czynników środowiskowych, mniej więcej po połowie. Dodatkowo sprawę komplikuje fakt, że w ogromnej większości przypadków działanie genów nie polega na tym, że pojedynczy gen warunkuje jedną cechę. Dużo osób ma problem, żeby to zrozumieć, bo w szkole uczymy się genetyki na bardzo prostu modelu dziedziczenia Mendla, gdzie na przykład mamy taką cechę jak kolor kwiatów groszku i jeden gen, którego warianty decydują o tym, czy te kwiaty są białe czy czerwone - wyjaśnił.

Dodał, że "niestety potem tak zrozumianą genetykę przenosimy na człowieka, więc wydaje nam się, że powinien istnieć jakiś jeden gen, który warunkuje na przykład nasze talenty intelektualne i sportowe albo skłonność do zapadania na cukrzycę, choroby serca". - Tymczasem prawie nigdy tak to nie wygląda. Owszem, cechy jednogenowe u człowieka się zdarzają, ale jest ich stosunkowo mało. One są na przykład związane z bardzo rzadkimi chorobami genetycznymi, takimi jak mukowiscydoza czy dystrofia mięśniowa Duchenne’a. Cała reszta naszych cech jest wypadkową działania bardzo wielu genów - zwrócił uwagę prof. Golik. Jako przykład podał cechę wzrostu. - Wiemy, że wpływa na nią co najmniej tysiąc różnych genów i to we współdziałaniu z czynnikami środowiska - powiedział.

Według prof. Golika "w najbliższych latach pojawi się wysyp publikacji, w których będą ujawniane nowe czynniki genetyczne, odpowiadające za różne cechy człowieka, a wynikające właśnie ze zmian liczby fragmentów powtórzonych". - Kiedy na przykład badamy genom przedstawiciela jakiejś grupy etnicznej, chcąc zbadać jej prehistorię, albo osoby chorej, aby porównać go z genomem ludzi, którzy na tę przypadłość nie zapadają, to przede wszystkim musimy sprawdzić, czym dana osoba różni się od tego przyjętego wzorca - opowiadał. Porównał to do układania puzzli. - Znacznie łatwiej jest nam je układać, kiedy na pudełku widnieje fotografia przedstawiająca efekt końcowy. Wtedy na bieżąco porównujemy nasze kawałki z tym obrazkiem i umieszczamy je w odpowiednich miejscach. I tak samo dzieje się w przypadku, o którym rozmawiamy. Kiedy nie mamy wzorca, tej sekwencji referencyjnej, to, jakbyśmy chcieli układać puzzle bez obrazka - powiedział.

Wskazał, że dzięki odkryciu kompletnej sekwencji ludzkiego genomu "zdobyliśmy właśnie ten umowny obrazek, którego będziemy używać do układania naszych genetycznych puzzli". - Nie ma już w nim braków, luk, białych plam. W związku z tym możemy znacznie lepiej i łatwiej poznawać zmienność genetyczną człowieka, a dopiero, kiedy ją w pełni zrozumiemy, będziemy mogli myśleć o ewentualnym leczeniu, przewidywaniu chorób itd. To już są rzeczy dużo dalej wybiegające w przyszłość. Czyli mamy do czynienia z odkryciem bardzo ważnym, które ogromnie posuwa naszą wiedzę do przodu, ale nie liczmy na to, że jego zastosowania pojawią się w aptekach za rok czy pięć lat - mówił genetyk.