Rozhovor a Alecom Jeffreys, priekopníkom na poli ľudskej diverzity

Preložila Lucia Kayserová

Alec Jeffreys aged eight with his new microscope

Profesor Sir Alec Jeffreys, vynálezca metódy DNA fingerprinting, spomína na svoju detstkú vášeň pre vedu, vysvetľuje, čo sme zistili z priamej DNA analýzy a opisuje svoju prácu s tými, čo prežili Černobyľ. Rozhovor s Russom Hodge a Annou-Lynn Wegener z Európskeho Molekulárneho Laboratória v nemeckom Heidelbergu.

Čo vás priťahovalo na vede úplne na začiatku?

Narodil som sa ako zvedavé dieťa. Bol som ten typ dieťaťa, ktoré rozkrájalo dážďovky, aby zistilo, čo sa nachádza vo vnútri. Vcelku strašné dieťa. Ale keď som mal osem, dostal som od otca dve veci: mikroskop a chemickú súpravu. A nie hocakú, ale skutočnú, plne smrteľnú súpravu.

Vlastne som bol organický chemik, samouk. Kým som mal 11 alebo 12, vďaka číremu entuziazmu som sa sám dopracoval na úroveň prvého ročníka na univerzite. Boli pri tom výbuchy, boli pri tom zápachy, vyrábal som najneobyčajnejšie zlúčeniny a pri takomto štýle praktickej vedy sa človek učí veľmi rýchlo. Bol to taký spôsob úplného pohrúženia sa do vedy, aký je dnes úplne nemožný pre zdravotné a bezpečnostné dôvody.

A v škole sa nestalo nič, čo by vás od vedy odradilo?

Mal som fantastických učiteľov, najmä môjho učiteľa biológie, pána Bartona. Keď som povedal „chcem vedieť, ako vyzerá morská hviezdica zvnútra“, on mi zohnal jednu mŕtvu, aby som ju mohol rozpitvať. Takže škola bola neskutočne dôležitá, ale oni pracovali s dieťaťom, ktoré už bolo konvertované. V tej dobe som už tak či tak bol úplne závislý na vede.

Už takmer tri desasťročia študujete genetiku a ľudskú rôznorodosť. Čo vieme o nej teraz, čo sme nevedeli pred tridstiatimi rokmi?

Prvé nástroje k štúdiu ľudskej rôznorodosti sme mali v neskorom roku 1977. Predtým to, čo sme vedeli, bolo založené na nepriamom odvodzovaní. Mohli sme sa pozrieť na bielkoviny v krvi alebo v slinách a študovaním variácií v génových produktoch sme mohli vyvodiť variácie v samotných génoch. Pred tridsiatimi rokmi sme ale nemali ani tušenie o skutočnom rozsahu rôznorodosti na najzákladnejšej úrovni zo všetkých: na DNA úrovni. Do dvoch rokov sa však ukázalo, že medzi dvomi ľuďmi je veľa, veľa miliónov DNA jednotiek rozdielnych.

Hand in hand with the Human Genome Project^w1, there’s been the parallel Human Genome Diversity Project^w2. We’ve learned not only the true extent of variation, but also a great deal about how that variation is distributed between different populations, and that most genetic variation is shared by everybody on the planet. That simply reflects the fact that we’re a young species which has not had enough time to split into different, genetically distinct, subspecies. The project has also told us that Africa is the richest source of genetic diversity, which is consistent with mankind having evolved in Africa. Again, these are insights that simply couldn’t have been achieved without looking at the DNA.

Ruka v ruke s Ľudským genómovým projektom^w1 prebiehal aj projekt Ľudská genómová diverzita^w2. Dozvedeli sme sa nielen o skutočnom rozsahu rôznorodosti, ale aj veľa o tom, ako je táto rozložená medzi rôznymi populáciami a že najviac genetických variácii je spoločných pre všetkých na planéte. To jednoducho odráža fakt, že sme mladý druh, ktorý nemal dostatok času na rozdelenie sa do geneticky rozdielnych poddruhov. Projekt nám taktiež povedal, že Afrika je najbohatším zdrojom genetickej diverzity, čo súhlasí s pôvodom ľudstva v Afrike. Toto sú tiež poznatky, ktoré nemohli byť získané bez pohľadu na DNA

Ale ďalšia vec, ktorú nás priama DNA analýza naučila, je fakt, že starý model o variáciách medzi ľuďmi bol zásadne nesprávny. DNA bola chápaná iba ako reťazec písmen, kým jednotlivci sa líšili iba vrámci individuálnych písmen, takzvaných bodových polymorfizmov (SNP, zo „single nucleotide polymorphisms“). Teraz už vieme, že nielenže existuje veľa miest takýchto bodových polymorfizmov, ale aj že ľudský genóm je plný malých delécií (vymazaní), duplikácií, inverzií, všetkých možných preskupení. Sú v ňom dokonca malé DNA segmenty, ktoré sa dokážu samostatne skopírovať na nové miesto- tzv. transpozóny. Tieto malé molekulárne blšky, skáčúce po ľudskom genóme, predstavujú asi 25-30% celého ľudského genómu.

TSú v ňom aj oblasti opakujúcich sa DNA segmentov, známe ako minisatelity. Tieto sú moje obľúbené a oni sú aj tie, ktoré tvoria základ pre DNA fingerprinting ^w3. Veľmi sa o ne zaujímam, pretože sú neskutočne rôznorodé, vďaka čomu sa používajú v DNA fingerprinting. Nielen to, niektoré z nich môžu byť hlavnými príčinami dedičných chorôb, ako Huntingtonova choroba, spôsobená replikáciou opakujúcich sa DNA segmentov a následnou tvorbou toxických génových produktov, ktoré potom zabíjajú mozgové bunky. Takisto sa môžme pozrieť na samotný pôvod dedičnej choroby: môžme sa napríklad zamerať na najbežnejšiu mutáciu v cystickej fibróze a odhadovať, kedy v ľudskej histórii vznikla a ako sa šírila.

Takže priama analýa DNA nám povedala o normálnej variácii, patologickej variácii a pôvodoch patologických zmien. Vytvorila tak úplne nové typy genetických markerov, ako napríklad tie, ktoré sa využívajú vo foréznom DNA fingerprinting a povedala nám vskutku veľa o celkovej evolúcii druhov.

Celý tento odbor sa vyvíja veľmi rýchlo. Aké otázky, ktoré budeme schopní konfrontovať počas budúcej dekády, očakávate?

Na mnohé z otázok, o ktorých sa bude diskutovať o 10 rokov, by sme teraz ani nepomysleli. Je očividné, že niektoré veci budú dôležité, napríklad genetický základ bežných chorôb ako cukrovka. Cukrovka má genetický komponent, ale je veľmi ťažké zistiť, ktoré z tých miliónov miest genetickej variácie priamo ovplyvňuje riziko vyvinutia sa choroby. Environmentálne väzby sú úplne jasné- nedostatok pohybu a mizerné stravovanie sa. A tieto môžu byť ihneď zmenené. Ľudia môžu dramaticky zmeniť riziko cukrovky a to úplne bez pomyslenia na genetiku. Ale genetika by poskytla nahliadnutie na mechanizmy, ktoré by potom mohlo viesť k novým liečivám na minimalizáciu rizika vývoja cukrovky u obéznej osoby.

Mohli by ste vysvetliť rozdiel medzi DNA fingerprinting a týmy druhmi profiláciami, ktoré sa používajú pri prognózach chorôb?

So staromódnym DNA fingerprinting nebolo možné rozlíšiť medzi etnickými skupinami, či predpovedať veci ako farba vlasov alebo očí, alebo náchylnosť k chorobe. S modernými foréznymi DNA metódami to nie je úplne pravda. Poskytujú nejaké náznaky etnicity a nejaké veľmi, veľmi slabé náznaky náchylností k chorobám, najmä k cukrovke.

Ľudia vraveli „prečo nevytvoríte vysoko prechodové DNA-tlačiarenské systémy, ktoré by pomohli polícii vo vyšetrovaní a zároveň identifikovať sklony ľudí k chorobám a potom im pomôcť robiť správne rozhodnutia ohľadom ich životného štýlu?“ Môj názor je, že využívania DNA políciou a medicínou by mali byť totálne, kompletne a úplne oddelené. Súhlasil by som, aby polícia mala vzorku mojej DNA, ak by tá pomohla v danom vyšetrovaní. Ale nebol by som šťastný, ak by sa polícia pozerala na rysy v mojej DNA, ktoré sú dôležité pre mňa ako osobu. To by bol zásah do môjho genetického súkromia. Ako náhle prekročíte hranicu medzi foréznymi a lekárskymi aplikáciami DNA, myslím si, že vytvárate veľmi zložitú situáciu.

To by podlomilo veľký úspech forézneho využitia DNA. Verejnosť vcelku súhlasí, aby polícia uchovávala vzorky DNA od obvinených ľudí, analyzovala ich a vytvárala databázy. Táto náklonnosť by sa rozplynula, keby polícia mala všetky možné informácie o sklonoch ku chorobám, etnických pôvodoch a rodinných vzťahoch.

Zapojili ste sa do nejakých aktivít ohľadom Černobyľu. Mohli by ste vysvetliť, čo ste robili a čo z tejto práce vzišlo?

Toto priamo vzišlo z DNA fingerprinting. Opakujujúce sa segmenty DNA, ktoré používame pri DNA fingerprinting, sú veľmi variabilné, pretože sú nestále. Takže keď sa prenesú z rodiča na dieťa tak sa celkom často spontánne zmenia, čo je veľmi odlišné od priemerného ľudského génu. Ak by ste použili typický gén, museli by ste sa pozrieť hádam na 10 000 detí, aby ste našli novú mutáciu. S týmito kúskami DNA, v najextrémnejšom prípade, asi jedno dieťa zo štyroch je nosičom novej verzie. Takže sú veľmi ľahko spozorovateľné.

Vďaka tejto nestálosti, môj kolega Yuri Dubrova z Moskvy dostal nápad použiť tieto DNA segmenty k monitorovaniu mutácií. Napríklad v Černobyle, kde uniklo množstvo reaktivity do prostredia, je možné odhaliť rádiaciou vyvolané mutácie u detí? Vykonali sme pár experimentov v živočíšnom modele a ukázali sme, že pri ožiarení myší sa v ich potomkoch nahromadí viac mutácií v opakujujúcich sa segmentoch DNA. Takže tieto kúsky DNA sú nielen spontánne nestále, ale aj nesmierne citlivé voči radiácii a tým nám poskytujú veľmi jednoduchý spôsob ako odhaliť mutácie ňou spôsobené.

Yuri následne pokračoval v priebehajúcich štúdiách v Černobyle, ktorý vybuchol v apríli 1986. V Bielorusku naverboval trojice pozostávajúce z matky, otca a dieťaťa, ktoré sa narodilo niekedy po tragédii, pričom obaja rodičia trvale žili v danej oblasti a existovali informácie o rozsahu radiácie v prostredí. Znova zistil, že tieto deti mali zvýšený počet takýchto mutácií a že tento nárast bol zhruba porovnateľný s množstvom radiácie v prostredí.

Teda ak je toto pravdivé, je to prvý priamy dôkaz dedičných, radiáciou spôsobených mutácií u ľudí. Veľké genetické štúdie u tých, čo prežili Hirošimu a Nagasaki, postrádali potenciál klásť si takéto otázky. Taktiež sme videli tieto mutácie u myší a ľuďoch už pri hladinách radiácie, ktoré boli predtým považované bez výrazného genetického rizika. To môže oprávnene spochybniť podklady pre stanovenie limitov pre radiáciu a pre odhadovanie rizika.

U myší sme taktiež spozorovali trans-generačný fenomén, kedy u myší vystavených radiácii sa nové indukované mutácie objavujú nielen u ich potomkov, ale aj u potomkov ich potomkov a u ich potomkov, hoci tieto nikdy neboli vystavené radiácii. Nevieme, či sa toto deje aj u ľudí, ale ak áno, tak potom je na mieste otázka o následkoch radiácie, nielen pre jednotlivcov, ale aj pre ich neožiarené deti, vnúčatá a vzdialenejších potomkov. Ak tento úkaz funguje trans-generačným spôsobom, ako je to známe u myší.

Diskutuje sa stále o dosahu výsledkov tejto štúdie?

Áno, musím zdôrazniť, že ešte nebol dosiahnutý všeobecný záver ohľadom ľudskej reakcie. Mám na mysli, že existuje reakcia, ale toto je epidemológia a jedna vec, ktorú nie je možné uskutočniť s populačnými štúdiami je definovať príčinu a následok. Takže je vždy možné argumentovať, že snáď to nemá nič spoločné s radiáciou, že snáď ľudia žijúci v najviac kontaminovaných oblastiach boli takí nervózni, že fajčili a že to bolo fajčenie, ktoré vzbudilo tieto mutácie. Je možné vidieť súvislosti, ale stanoviť príčinu a následok, aby bolo skutočne jasné, že radiácia je príčina, je veľmi náročné.

Najpriamejší experiment, aký sme následne vykonali, a ktorý zároveň ukazuje, ako mätúce toto odvetvie môže byť, bolo zozbieranie mužského semena a počítanie spermií, ktoré mali mutácie. Potom sme ožiarili semenníky týchto mužov, chvíľu počkali a potom zozbierali a znova analyzovali ďalšie vzorky semena. Po radiácii sme nenašli vôbec žiaden vplyv na mieru mutácií!!

Mohli by ste sa čudovať, ako sme vôbec získali nejakých dobrovoľníkov. Pracovali sme s pacientmi trpiacimi na rakovinu semenníkov, takže sme potrebovali nájsť pacienta, ktorý sa nielen chystal podstúpiť rádioterapiu, ale bol aj ochotný odovzdať vzorky semena. Na celom svete sme našli troch ľudí, ktorí to boli pripravení podstúpiť. Aj napriek malému rozsahu štúdie sme jasne nevideli žiaden efekt.

Aby som to zhrnul, objavili sme radiáciou vyvolané dedičné mutácie v Bielorusku a keď sme štúdiu zopakovali v severnej Ukrajine, našli sme také isté následky. Na testovacom mieste jadrových zbraní v Kazachstane, s kontaminovanými dedinami, ten istý výsledok bol zdokumentovaný. Štúdie s pozostalými japonských atómových bômb neukázali žiaden výsledok. A štúdie s černobyľskými zamestnancami odpratávacej služby a ich rodinami rovnako neukázali žiaden vplyv. Takže zatiaľ nebol dosiahnutý žiadny konsenzus. A to je spôsob, akým veda funguje.

Internetové odkazy

w1 – Stránka Wikipédie o Ľudskom genómovom projekte

w2 – Stránka Wikipédie o Projekte ľudskej genómovej diverzity

w3 – Stránka Wikipédie o DNA fingerprinting

Zdroje

Stránka Aleca Jeffreys

Stránka Wikipédie o Alecovi Jeffreys

Medzinárodný HapMap Projekt (The International HapMap Project) je úsilím vyvinúť mapu haplotypov ľudského genómu, ktorý by umožnil identifikáciu a katalogizáciu genetických podobností a rozdielov medzi ľudskými jednotlivcami.