Een decennium geleden voltooide een internationaal onderzoeksteam een ambitieuze poging om de 3 miljard brieven met genetische informatie in elke menselijke cel te lezen. Het programma, bekend als het Human Genome Project, leverde de blauwdruk voor het menselijk leven, een prestatie die is vergeleken met het landen van een man op de maan.
Dr. Eric D. Green was vanaf het begin betrokken bij het verfijnen van enkele van de belangrijkste technologieën die in het project werden gebruikt. Op dat moment was hij een postdoctorale fellow en een bewoner in de pathologie aan de Washington University in St. Louis. Hij haalde zijn 5 procent van het genoom uit, en concentreerde zich op het in kaart brengen van het DNA van chromosoom 7. Vandaag is Green de directeur van het National Human Genome Research Institute, dat het genoom van de mens door onderzoek naar genomica bevordert.
Laten we teruggaan naar het midden van de late jaren 1980, toen het idee voor het Human Genome Project voor het eerst werd bedacht. Wat was toen de motivatie?
Het hangt ervan af wie je het vraagt. Verschillende mensen hadden verschillende motivaties. Houd er rekening mee dat de jaren '70 en vroege '80 het tijdperk van de moleculaire biologie waren. Er waren aanzienlijke vorderingen in methoden waarmee we DNA in het laboratorium konden isoleren en bestuderen.
In de VS bijvoorbeeld raakte het ministerie van Energie erg geïnteresseerd in het idee om het genoom te bestuderen vanwege interesse in mutatie en het mutatieproces dat verband houdt met sommige vormen van energie, zoals kernenergie.
Als je naar plaatsen zoals de National Institutes of Health gaat, of je kijkt naar biomedische onderzoekers en gezondheidsgerelateerde onderzoekers, waren ze erg geïnteresseerd in het kunnen ophelderen van de genetische basis van ziekte. Onder de vele genetische ziekten die werden overwogen, was natuurlijk kanker.
Veel andere mensen in het biomedische onderzoeksspectrum - zelfs degenen die aan modelorganismen werken, zoals vliegen en wormen en gist - erkenden dat als we erachter konden komen hoe we complexe genomen kunnen bekijken, beginnend met vliegen en wormen en gist maar dan werken op weg naar de mens, zou het fundamentele informatie bieden om te begrijpen hoe het genoom werkte.
Er was een samenvloeiing van veel verschillende ideeën die, met een achtergrond van incrementele maar belangrijke technologische vooruitgang, het leken te doen lijken dat, hoewel ontmoedigend, het probleem van het bepalen van de volgorde van het menselijk genoom en het bepalen van de volgorde van 3 miljard letters mogelijk was.
Waar komt het materiaal voor het genoomproject vandaan? Wiens genoom was het?
Toen het genoomproject begon, was het nog behoorlijk versnipperd. Verschillende mensen maakten verschillende collecties en DNA-fragmenten, bibliotheken genaamd, die gewoon stukjes gekloond DNA zijn. Ze zouden het van iedereen doen: soms was het de laboratoriumleider, soms was het de postdoctorale fellow of de afgestudeerde student. Ze zouden DNA destijds gewoon pakken, terwijl daar echt geen implicaties van waren.
Maar toen het eindelijk tijd was om de bibliotheken te maken die zouden worden gebruikt voor het sequentiëren van het menselijk genoom door het Human Genome Project, was de persoon die de beste persoon was voor het maken van die bibliotheken een wetenschapper die werkte bij Roswell Park Cancer Institute in Buffalo, New York. [Het team] kreeg geïnformeerde toestemming van ongeveer 10 of 20 anonieme bloeddonoren en koos vervolgens een van die willekeurig, en dat was de persoon. Ongeveer 60 procent van de menselijke genoomsequentie gegenereerd door het Human Genome Project was van een bloeddonor in Buffalo, New York.
Maar weet je, het maakt niet uit. Als je de menselijke genoomsequentie tegenkomt die is gegenereerd door het Human Genome Project, is het als een mozaïek. Je mag honderdduizend brieven gebruiken en het kan die ene persoon zijn, uit Buffalo. Het zou kunnen zijn dat je de volgende honderdduizend gaat en het zal iemand anders zijn. En de volgende honderdduizend, iemand anders. Het enige dat diende was een referentie. En omdat alle mensen 99, 9 procent identiek zijn op het sequentieniveau, hoeft die eerste reeks geen echte persoon te zijn. Het kan gewoon een hypothetische referentie van een persoon zijn.
Van al die informatie, waarom koos je ervoor je te concentreren op chromosoom 7 [het menselijke genoom heeft 23 chromosomen]?
Het was enigszins willekeurig. We wilden een chromosoom kiezen dat niet te groot was. We wilden er niet een kiezen die te klein was. We wisten dat er veel werk zou komen, dus kozen we een middelgroot chromosoom.
We wilden er geen kiezen waar al veel mensen mee bezig waren. Op dat moment was het beroemdste gen op chromosoom 7 het cystische fibrose-gen, en dat werd ontdekt in 1989. En we hadden eigenlijk een deel van die regio geïsoleerd en deden een aantal studies op een pilot-manier.
De waarheid is dat we het hebben gekozen omdat het niet te groot, niet te klein en niet te druk was. Dat was een willekeurige manier om te beginnen; tegen de tijd dat het genoomproject eindigde, werden de meeste studies genoombreed uitgevoerd.
Hoe veranderde het werk tijdens de levensduur van het project?
Het hele verhaal van genomics is er een van technologieontwikkeling. Als je nagaat waar de enorme vooruitgang is geboekt, ging het allemaal om technologische stijgingen. Al vroeg in het genoomproject kwam de golf dat we betere manieren hadden om grote stukken DNA te isoleren.
Toen we sequenties van kleinere genomen van organismen organiseerde - zoals Drosophila- fruitvliegen - hebben we in feite het proces van sequentiëring geïndustrialiseerd, waardoor het steeds meer geautomatiseerd werd.
Toen het genoomproject begon, was het idee: "Laten we de genomen van vliegen, wormen en gisten in volgorde zetten, al deze kleinere organismen, met behulp van de methode van de dag", wat deze methode was, ontwikkeld door Fred Sanger in 1977. Het idee was dat ze zou het gaspedaal niet duwen om te beginnen met het sequencen van het menselijk genoom totdat er een revolutionaire nieuwe sequencing-methode beschikbaar was. Dus waren er veel inspanningen om nieuwe gekke manieren te ontwikkelen om DNA te sequencen.
Toen het tijd werd, omstreeks 1997 of 1998, om echt te overwegen het menselijk genoom te gaan sequencen, zei iedereen: "Misschien hoeven we niet te wachten op een revolutionaire methode, misschien hebben we de ouderwetse methode stapsgewijs verbeterd genoeg dat het kan worden gebruikt, ”en dat is inderdaad besloten.
Dat gezegd hebbende, sinds het genoomproject, is het ding dat het gezicht van genomics heeft veranderd revolutionaire nieuwe sequencing-technologieën die uiteindelijk rond 2005 op het toneel verschenen.
Hoe hebben die verbeteringen de kosten en de benodigde tijd voor sequencing veranderd?
Het Human Genome Project duurde zes tot acht jaar actieve sequencing en, in termen van actieve sequencing, gaven ze ongeveer een miljard dollar uit om de eerste menselijke genoomsequentie te produceren. Op de dag dat het genoomproject eindigde, vroegen we onze sequentiegroepen: “Oké, als je een tweede menselijk genoom zou gaan sequencen, hypothetisch, hoe lang zou het duren en hoeveel zou het kosten?” Met een achterkant van de envelop berekening, zeiden ze: "Wow, als je ons nog eens 10 tot 50 miljoen dollar geeft, kunnen we het waarschijnlijk binnen drie tot vier maanden doen."
Maar nu, als je gaat naar waar we vandaag zijn, kun je een menselijk genoom in ongeveer een dag of twee sequencen. Tegen het einde van dit jaar zal het ongeveer een dag duren. En het kost slechts ongeveer $ 3.000 tot $ 5.000 dollar.
Wat waren de belangrijkste bevindingen van het eerste genoom en degenen die volgden?
Er zijn nieuwe bevindingen die elke dag komen. In de eerste 10 jaar dat we de menselijke genoomsequentie voor ons hebben, denk ik dat we elke dag meer en meer informatie verzamelen over hoe het menselijk genoom werkt. Maar we moeten erkennen dat we zelfs na tien jaar nog maar in een vroeg stadium zijn om die volgorde te interpreteren. Over tien jaar zullen we het nog steeds interpreteren en herinterpreteren.
Enkele van de eerste dingen die we hebben geleerd, bijvoorbeeld: we hebben veel minder genen dan sommige mensen hadden voorspeld. Toen het genoom begon, voorspelden veel mensen dat mensen waarschijnlijk 100.000 genen hadden, en dat ze aanzienlijk meer genen zouden hebben dan andere organismen, vooral eenvoudiger organismen. Dat blijkt niet waar te zijn. Het blijkt dat we een veel lager gengetal zijn. In feite lijken we waarschijnlijk meer op 20.000 genen. En dat is slechts een paar duizend meer dan vliegen en wormen. Onze complexiteit zit dus niet in ons gennummer. Onze complexiteit ligt elders.
De andere verrassing kwam toen we begonnen met het sequencen van andere zoogdieren - in het bijzonder, muisgenoom, rattengenoom, hondengenoom enzovoort, en inmiddels hebben we 50, 60, 70 van dergelijke genomen bepaald. Je lijnt die genoomsequenties in een computer uit en je kijkt om te zien waar sequenties zijn die erg geconserveerd zijn, met andere woorden gedurende tientallen miljoenen jaren van evolutionaire tijd, waar de sequenties helemaal niet zijn veranderd. Sterk, zeer evolutionair geconserveerde sequenties wijzen vrijwel zeker naar functionele sequenties. Dit zijn dingen die het leven niet wil veranderen en dus houden ze ze hetzelfde omdat ze een essentiële essentiële functie vervullen die nodig is voor de biologie. In het genoomproject dachten we dat de meerderheid van de meest geconserveerde regio's die functioneel belangrijk waren in de genen zouden zitten - de delen van het genoom die direct coderen voor eiwitten. Het blijkt dat de meerderheid van de meest geconserveerde en onvermijdelijk functionele sequenties zich niet in eiwitcoderende regio's bevinden; ze zitten buiten genen.
Dus wat zijn ze aan het doen? We kennen ze niet allemaal. Maar we weten dat veel van hen in feite circuitschakelaars zijn, zoals dimschakelaars voor een licht, die bepalen waar en wanneer en hoeveel een gen wordt ingeschakeld. Het is veel ingewikkelder bij mensen dan bij lagere organismen zoals vliegen en wormen. Onze biologische complexiteit zit dus niet zozeer in ons gennummer. Het zijn in de complexe schakelaars, zoals dimmers, die regelen waar, wanneer en hoeveel genen worden ingeschakeld.
Wat moeten we nog uitzoeken?
Als je nadenkt over hoe het genoom werkt, denkt dat over hoe het gewoonlijk voor ons allemaal werkt. Maar de andere grote nadruk in genomics - vooral in de afgelopen 10 jaar - is om te begrijpen hoe onze genomen verschillend zijn. Dus daar kun je de 0, 1 procent van onze genomen benadrukken die verschillend zijn ten opzichte van elkaar en hoe leiden die verschillen tot verschillende biologische processen. Dus daar is het begrijpen van variatie heel, heel belangrijk, en dan die variatie te relateren aan verschillende gevolgen, waarvan ziekte een groot deel ervan is.
Er zijn opmerkelijke, maar echt opmerkelijke vorderingen geweest. We kennen nu de genomische basis voor bijna 5.000 zeldzame genetische ziekten. Toen het genoomproject begon, waren er slechts enkele tientallen ziekten waarvoor we begrepen wat de mutatie die ziekte veroorzaakte. Dat is een enorm verschil. We kennen nu vele, vele honderden en honderden regio's van het menselijk genoom die varianten bevatten - we weten nog niet welke varianten - die risico's inhouden voor meer gecompliceerde genetische ziekten, zoals hypertensie en diabetes en astma, hart- en vaatziekten enzovoort. .
We zijn overgegaan van een volledig gebrek aan kennis van waar we in het genoom moeten zoeken naar die varianten, maar hebben nu zeer discrete regio's om in te kijken. Dus dit is een grote nadruk nu in de genomica, probeert te begrijpen welke varianten relevant zijn voor ziekte en wat je eraan kunt doen.
