Αποκαλύπτοντας το γενετικό μας αποτύπωμα Understand article

Μεταφρασμένο από την Παρασκευή Θάνου. Τι κάνει η πλειονότητα του DΝΑ μας; Εκατοντάδες επιστημόνων έχουν ξοδέψει χρόνια εξετάζοντας αυτές τις «άχρηστες»…

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του fr73 /
iStockphoto

Το Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος – η χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος – ήταν ένα μεγάλο επίτευγμα της προηγούμενης δεκαετίας: αποκάλυψε το ανθρώπινο γενετικό αποτύπωμα, όλες τις τρία δισεκατομμύρια βάσεις, αλλά η ιστορία δε σταματά εκεί. Το να αποκωδικοποιήσουμε πώς αυτή η αλληλουχία ερμηνεύεται από τα κύτταρά μας είναι βασικό για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί το γονιδίωμα. Τότε, ίσως, μπορέσουμε να εφαρμόσουμε αυτή τη γνώση στη βιοϊατρική έρευνα και πρόνοια.

Εικόνα 1: Δεδομένα από ένα
αυτοματοποιημένο
μηχάνημα χαρτογράφησης
DNA που χρησιμοποιήθηκε
από το Πρόγραμμα
Ανθρώπινου Γονιδιώματος
για να προσδιορίσει πλήρως
την αλληλουχία του
ανθρώπινου DNA. Κάθε
κορυφή δείχνει την
παρουσία μιας
συγκεκριμένης βάσης. Το
Πρόγραμμα Ανθρώπινου
Γονιδιώματος αναγνώρισε
τα 3 δισεκατομμύρια
γράμματα που απαρτίζουν
το γονίδιωμά μας. Το
ENCODE παρέχει τώρα
λεπτομέρειες για το πώς
λειτουργεί το γονιδίωμα.
Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Genome
Research Limited

Μια από τις μεγάλες εκπλήξεις του ανθρώπινου γονιδιώματος ήταν ότι μόνο το 2% του γονιδιώματος περιέχει γονίδια, τις οδηγίες για να φτιαχτούν πρωτεΐνες. Αφού λάβουμε υπόψη και επιπλέον τμήματα του γονιδιώματος όπως το RNA που δεν αποκωδικοποιείται, τμήματα που εμπλέκονται στη ρύθμιση της δραστηριότητας των γονιδίων και τα εσώνια (τα τμήματα της αλληλουχίας ενός γονιδίου που αφαιρούνται πριν μεταφραστεί ένα μόριο αγγελιαφόρου RNA), μια κοινή άποψη ήταν ότι το υπόλοιπο γονιδίωμα δεν είχε καμιά βιολογική λειτουργία. Ως αποτέλεσμα, συχνά αναφερόταν ως «άχρηστο» DNA.

Υπερβαίνοντας την αλληλουχία

Από τη στιγμή που το ανθρώπινο γονιδίωμα χαρτογραφήθηκε, ήταν καιρός να μάθουμε αν αυτές οι αλληλουχίες ήταν πράγματι άχρηστες. Το 2003, η κοινοπραξία ENCODE συστάθηκε για να χαρακτηρίσει τις μη αποκωδικοποιούμενες αλλά λειτουργικές περιοχές του ανθρώπινου γονιδιώματος. Η κοινοπραξία είχε την υποστήριξη του National Human Genome Research Institute στις ΗΠΑ και καθοδηγούνταν από το European Bioinformatics Institute (EBI, βλ. πλαίσιο) στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η πιλοτική φάση του ENCODE έλαβε χώρα από το 2003 έως το 2007 και επέτρεψε σε ένα παγκόσμιο δίκτυο ερευνητών να δοκιμάσουν, να συγκρίνουν και να βελτιστοποιήσουν πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους για την αναγνώριση των ενεργών τμημάτων σε μια μερίδα 1% του γονιδιώματος – ουσιαστικά εξετάζοντας προσεκτικά ένα μέρος του «άχρηστου» γονιδιώματος.

Εικόνα 2: Ξετυλίγοντας το γονιδίωμα: μεγεθύνοντας ένα χρωμόσωμα έως τη διπλή έλικα του DNA. Αυτό το διάγραμμα απεικονίζει μερικές από τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν από τους ερευνητές του ENCODE, ώστε να ταυτοποιήσουν βιολογικά ενεργά τμήματα του γονιδιώματος: ανάλυση μεταγραφόμενης αλληλουχίας (RNA-seq και RT-PCR: για την ταυτοποίηση μεταγραφόμενων περιοχών), ανοσοκατακρήμνιση χρωματίνης (ChIP-seq: για την ταυτοποίηση αλληλουχιών συνδεόμενων με πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη ρύθμιση της μεταγραφής), πέψη με δεοξυριβονουκλεάση (DNase-seq: για την ταυτοποίηση της χαλαρής δομής χρωματίνης), υπολογιστικές προβλέψεις (για την εύρεση γονιδίων και την ταυτοποίηση συντηρημένων αλληλουχιών) και δοκιμασίες έκφρασης με γονίδια αναφοράς (πχ. δοκιμασία για ενεργότητα υποκινητή, δεν παρουσιάζεται στο διάγραμμα). Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Ian Dunham
Εικόνα 3: Το πρόγραμμα
ENCODE ανέλυσε 147
διαφορετικούς τύπους
κυττάρων για να
κατανοηθούν οι διαφορές
της γονιδιακής ρύθμισης σε
διαφορετικά είδη ιστών.
Αυτό το διάγραμμα
επισημαίνει 47 από τους
147 διαφορετικούς τύπους
κυττάρων που
συμπεριλήφθηκαν στη
μελέτη. Χρησιμοποιήθηκαν
πολλά είδη κυττάρων γιατί,
παρόλο που τα κύτταρα
έχουν το ίδιο γονιδίωμα, ο
τρόπος με τον οποίο
χρησιμοποιούν αυτές τις
πληροφορίες διαφέρει
μεταξύ των διαφορετικών
τύπων κυττάρων. Κάντε κλικ
στην εικόνα για μεγέθυνση.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Darryl Leja

Τα αρχικά τους αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν τον Ιούνιο του 2007 (The ENCODE Project Consortium, 2007), έδωσαν μια δελεαστική εικόνα για το τι κάνει το γονιδίωμα. Για παράδειγμα, τα δεδομένα που συνδυάστηκαν από τα πειράματα μικροσυστοιχιών (βλ.Koutsos et al., 2009) και ανάλυσης αλληλουχιών έδειξαν ότι η πλειονότητα του γονιδιώματος μεταγράφεται, συμπεριλαμβανομένων περιοχών που θεωρούνταν ότι είναι μη ενεργές μεταγραφικά (εικόνα 2). Παρόλο που ο βιολογικός ρόλος των περισσότερων μεταγραφημάτων ήταν ακόμα άγνωστος, μερικά έδειξαν ότι είναι σημαντικοί ρυθμιστικοί παράγοντες της γονιδιακής έκφρασης. Συνολικά, αυτό το στιγμιότυπο του γονιδιώματος έδειξε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ γονιδίων, περιοχών που εμπλέκονται στη ρύθμιση της δραστηριότητας των γονιδίων και άλλου είδους αλληλουχιών του DNA ήταν πιο πολύπλοκη από ό,τι είχε σκεφτεί κανείς. Τα δεδομένα είχαν ήδη αρχίσει να υποδεικνύουν ότι το γονιδίωμα περιείχε πολλές μορφές ενεργών στοιχείων και συνεπώς λιγότερες αχρησιμοποίητες αλληλουχίες από ό,τι πιστευόταν.

Αφού δοκίμασαν με επιτυχία την προσέγγισή τους, οι ερευνητές του ENCODE άρχισαν στη συνέχεια να εξετάζουν ολόκληρο το ανθρώπινο γονιδίωμα. Αυτό έγινε ευκολότερο χάρη στις προόδους στην τεχνολογία της ανάλυσης της αλληλουχίας του DNA και στη διαθεσιμότητα ακριβέστερων βιοχημικών δοκιμασιών.

Η ανάλυσή τους χαρτογράφησε συστηματικά χαρακτηριστικά του γονιδιώματος, όπως ακριβώς ένας χάρτης περιγράφει ένα φυσικό τοπίο και γεωγραφικά χαρακτηριστικά, όπως δάση, ποτάμια και βουνά. Στο γονιδίωμα, οι ερευνητές του ENCODE έψαχναν για χαρακτηριστικά όπως περιοχές του γονιδιώματος σηματοδοτημένες με σήματα «σιωπής» (εξειδικευμένα είδη μεθυλομάδων) που υποδείκνυαν μη ενεργότητα γονιδίων, σήματα «πρόσδεσης» για τους μεταγραφικούς παράγοντες, τις ενισχυτικές περιοχές για ενίσχυση της μεταγραφής και τις τροποποιήσεις του DNA που ελέγχουν πώς πακετάρεται το DNA (εικόνα 3).

Κατακλυσμός δεδομένων

Αν τα αποτελέσματα του
προγράμματος ENCODE
εκτυπώνονταν, το χαρτί θα
γέμιζε 12 λεωφορεία.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του marcus_jb1973
/ Flickr

Το Σεπτέμβριο του 2012, μετά από 5 χρόνια πειραμάτων και αναλύσεων από 442 ερευνητές 32 ερευνητικών ιδρυμάτων στο Ηνωμένο Βασίλειο, τις ΗΠΑ, την Ισπανία, τη Σιγκαπούρη και την Ιαπωνία, το πρόγραμμα ENCODE ανακοίνωσε τα αποτελέσματα της πιο λεπτομερούς ανάλυσης ολόκληρου του γονιδιώματος έως τότε. Η μελέτη χρησιμοποίησε περίπου 300 έτη υπολογιστικού χρόνου για να αναλύσει 15 terabytes δεδομένων (15 x 1012 bytes), τα οποία είναι διαθέσιμα δημόσια. Αν τα δεδομένα εκτυπώνονταν με μια πυκνότητα των 1000 ζευγών βάσεων ανά cm2, ο χάρτινος πύργος θα είχε ύψος 16 m και μήκος μεγαλύτερο από 30 m: όγκος ισοδύναμος με τον όγκο 12 διώροφων λεωφορείων.

Το πρόγραμμα ENCODE είναι ένα παράδειγμα του τι μπορεί να επιτευχθεί από προγράμματα μεγάλης κλίμακας που βασίζονται στις ατομικές συνεισφορές εκατοντάδων ερευνητών, προσθέτοντας η κάθε μία ένα κομμάτι στο παζλ, ώστε να δημιουργήσουν μια πλήρη εικόνα του γονιδιώματος που δε θα μπορούσε να επιτευχθεί από ένα μόνο οργανισμό.

Ζωντανεύοντας την αλληλουχία

Ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα που έδειξαν τα πειράματα ENCODE είναι ότι, αντί να είναι κυρίως μια μη λειτουργική αλληλουχία, το γονιδίωμά μας σφύζει από δραστηριότητα: 80% του γονιδιώματος κάνει κάτι. Το τι ακριβώς κάνει μένει να ανακαλυφθεί, αλλά σίγουρα το 9% (και πιθανόν πολύ περισσότερο) εμπλέκεται στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης, ελέγχοντας πότε και πού φτιάχνονται οι πρωτεΐνες. Το ενεργό 80% του γονιδιώματος περιέχει περισσότερες από 70 000 περιοχές υποκινητών – τις θέσεις «πρόσδεσης» για τους μεταγραφικούς παράγοντες – και σχεδόν 40 000 περιοχές ενισχυτών – τις θέσεις που ελέγχουν την έκφραση μακρινών γονιδίων.

Ένας τεράστιος 3D πίνακας ελέγχου

Όπως μια κονσόλα μίξης
ενός τεχνικού ήχου, η
γονιδιακή έκφραση
βρίσκεται κάτω από
πολύπλοκο έλεγχο, με το
ανθρώπινο γονιδίωμα να
περιέχει πάνω από 4
εκατομμύρια γονιδιακούς
διακόπτες.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Stuart Dallas
Photography / Flickr

Συνολικά, το ENCODE αναγνώρισε περισσότερους από 4 εκατομμύρια γονιδιακούς διακόπτες διάσπαρτους μέσα στο γονιδίωμα. Μπορείτε να φανταστείτε το γονιδίωμα σαν έναν τεράστιο πίνακα ελέγχου, όπως μια κονσόλα μίξης ενός τεχνικού ήχου, με πολλούς διακόπτες που ενεργοποιούν και απενεργοποιούν τα γονίδια. Αυτή η πληροφορία εμβαθύνει την κατανόησή μας για τη γονιδιακή έκφραση και ανοίγει νέες προοπτικές για τη θεραπεία ασθενειών. Για παράδειγμα, μια μικρή αλλαγή σε ένα γονιδιακό διακόπτη που ονομάζεται CARD9 σχετίζεται με αυξημένο κατά 20% κίνδυνο της ανάπτυξης του συνδρόμου Crohn, μιας φλεγμονώδους ασθένειας των εντέρων. Τι θα γινόταν αν μπορούσατε να επαναφέρετε τους γονιδιακούς διακόπτες ξανά στο φυσιολογικό, απενεργοποιώντας τα αίτια μιας ασθένειας;

Τα αποτελέσματα του ENCODE έριξαν επίσης φως στο πώς είναι οργανωμένο το γονιδίωμα και τις φυσικές αλληλεπιδράσεις που εμφανίζονται μέσα σε αυτό. Οι ερευνητές βρήκαν πως αυτοί οι γονιδιακοί διακόπτες βρίσκονταν σε φυσική επαφή με τα γονίδια που έλεγχαν, ακόμη και αν απείχαν γραμμικά εκατοντάδες χιλιάδες βάσεις από αυτά. Έχουμε την τάση να φανταζόμαστε το γονιδίωμα σαν μια μακριά ευθύγραμμη αλληλουχία, αλλά στην πραγματικότητα είναι πυκνά πακεταρισμένο στον πυρήνα των κυττάρων, φέρνοντας διαφορετικά μέρη του γονιδιώματος σε στενή επαφή το ένα με το άλλο.

Με βάση τα δεδομένα

Τα δεδομένα του ENCODE θα
δώσουν τη δυνατότητα για
μια καλύτερη κατανόηση της
γενετικής βάσης των
ασθενειών.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του AlexRaths /
iStockphoto

Το ENCODE παρέχει ένα λεπτομερή χάρτη του γονιδιώματος και ανοίγει ολόκληρες νέες περιοχές της επιστήμης προς εξερεύνηση. Όπως εξηγεί ο Ian Dunham από το ΕΒΙ και επικεφαλής συγγραφέας του άρθρου του ENCODE, «Σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να έχεις μια καλή ιδέα για το ποια γονίδια εμπλέκονται σε μια ασθένεια, αλλά μπορεί να μη γνωρίζεις ποιοι διακόπτες εμπλέκονται. Καμιά φορά αυτοί οι διακόπτες αποτελούν μεγάλη έκπληξη – η θέση τους μπορεί να φαίνεται πιο λογικό να συνδέεται με μια εντελώς διαφορετική ασθένεια. Το ENCODE μας δίνει μια σειρά πολύτιμων παραδειγμάτων να ακολουθήσουμε για να ανακαλύψουμε μηχανισμούς-κλειδιά που εμπλέκονται στην υγεία και στην ασθένεια. Αυτούς μπορούμε να τους εκμεταλλευτούμε για να δημιουργήσουμε εντελώς καινούργια φάρμακα ή να τροποποιήσουμε υπάρχουσες θεραπείες.»

Εκτός του ότι γνωρίζουν ποια γονίδια εμπλέκονται σε μια ασθένεια, οι ερευνητές τώρα γνωρίζουν επίσης μερικούς από τους διακόπτες που εμπλέκονται στη ρύθμιση του πώς αυτά τα γονίδια ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται. Αυτό θα είναι εξαιρετικά πολύτιμο για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των μελετών βασισμένων στον πληθυσμό που αναγνωρίζουν τη σχέση μεταξύ ενός γονιδίου και μιας ασθένειας. Συνδυάζοντας την ανάλυση της λειτουργίας του γονιδιώματος από το ENCODE με δεδομένα από μελέτες του γονιδιώματος ευρείας συνεργασίας, οι ερευνητές μπορούν να χαρτογραφήσουν τις γενετικές παραλλαγές, που έχουν συσχετιστεί με ασθένειες, σε περιοχές με ρυθμιστική λειτουργία, συμπεριλαμβανομένων και των γονιδιακών διακοπτών, που ταυτοποιήθηκαν από το ENCODE. Τα δεδομένα του ENCODE θα παρέχουν τη δυνατότητα για μια καλύτερη κατανόηση της γενετικής βάσης των ασθενειών και θα στηρίξουν την εργασία των επιστημόνων για πολλά ακόμα χρόνια.

 

Περισσότερα για το EBI

Το European Molecular Biology Laboratory (EMBL)w1 είναι ένα από τα κορυφαία στον κόσμο ερευνητικά ιδρύματα, εξειδικευμένο στη βασική έρευνα στις επιστήμες της ζωής. Το EMBL είναι διεθνές, καινοτόμο και διεπιστημονικό. Οι προερχόμενοι από 60 έθνη εργαζόμενοι σε αυτό έχουν υπόβαθρο στη βιολογία, φυσική, χημεία και επιστήμη υπολογιστών, και συνεργάζονται στην έρευνα που καλύπτει όλο το φάσμα της μοριακής βιολογίας.

Το EBIw2, που βρίσκεται κοντά στο Cambridge, Ηνωμένο Βασίλειο, αποτελεί μέρος του EMBL. Παρέχει δεδομένα από πειράματα των βιοεπιστημών ελεύθερα διαθέσιμα στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, και διεξάγει βασική έρευνα στην υπολογιστική βιολογία. Το ΕΒΙ αναλαμβάνει την εκπαίδευση ερευνητών στην ακαδημαϊκή κοινότητα και τη βιομηχανία, ώστε να αξιοποιήσουν την απίστευτη ποσότητα των δεδομένων που λαμβάνοντα καθημερινά στα πειράματα των βιοεπιστημών.

Το EMBL είναι μέλος του EIROforumw3, του εκδότη του Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Μάθετε περισσότερα για το EMBL.
  • w2 – Μάθετε περισσότερα για το EBI.
  • w3 – Το EIROforum αποτελεί μια συνεργασία μεταξύ οκτώ από τους μεγαλύτερους διακυβερνητικούς επιστημονικούς ερευνητικούς οργανισμούς της Ευρώπης, που συνδυάζει τους πόρους, τις εγκαταστάσεις και το εξειδικευμένο προσωπικό τους για να στηρίξει την επιστήμη στην Ευρώπη, ώστε να φτάσει στη μέγιστη δυνατή ανάπτυξή της. Ως μέρος των εκπαιδευτικών και κοινωνικών του δραστηριοτήτων, το EIROforum εκδίδει το Science in School.

Resources

Institution

EMBL

Author(s)

Η Dr Louisa Wood εργάζεται στο ΕΒΙ, όπου είναι υπεύθυνη για την προσέγγιση του ιδρύματος στα σχολεία και στο ευρύ κοινό. Έχει επιστημονικό υπόβαθρο στη μοριακή βιολογία των φυτών και εκπόνησε τη διδακτορική διατριβή της στο στο John Innes Centre, Norwich, UK, και στο Max-Planck Institute for Plant Breeding στην Cologne, Γερμανία. Μετά από αυτό ξεκίνησε καριέρα στην επικοινωνία της επιστήμης. Εργάζεται στο ΕΒΙ από το 2007.


Review

Αυτό το άρθρο ρίχνει φως σε ένα από τα τελευταία επιτεύγματα στην ανθρώπινη γενετική: το πρόγραμμα ENCODE και πώς διεξάχθηκε η έρευνά του.

Όταν ο γενετικός κώδικας παρουσιάζεται στους μαθητές, συνήθως μένουν άφωνοι από το γεγονός ότι μόνο το 2% του ανθρώπινου DNA στην πραγματικότητα κωδικοποιεί πρωτεΐνες, ενώ το υπόλοιπο υποτίθεται ότι είναι άχρηστο. Το πρόγραμμα ENCODE έχει ερευνήσει τη λειτουργία ενός μέρους αυτού του μη αποκωδικοποιούμενου DNA, και έχει βρει ότι τελικά δεν είναι καθόλου άχρηστο.

Ενώ συζητάτε το Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος με τους μαθητές, μπορείτε να τους παρουσιάσετε το ENCODE. Η παροχή στους μαθητές βασικών πληροφοριών για τη γονιδιακή ρύθμιση, τις γενετικές ασθένειες και τις θεραπείες τους, και για τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην έρευνα της γενετικής μπορεί να είναι χρήσιμη. Το άρθρο μπορεί να κεντρίσει το ενδιαφέρον των μαθητών για τη βιοπληροφορική και μπορείτε να τους παροτρύνετε να διεξάγουν μια βιβλιογραφική έρευνα σχετικά με το πρόγραμμα ENCODE.


Namrata Garware, Ινδία




License

CC-BY-NC-ND