Dezvăluirea tiparului nostru genetic Understand article

Tradus de Nadia Bucurenci. Ce face majoritatea ADN-ului nostru? Sute de oameni de știință au petrecut ani de zile studiind aceste secvențe de umplutură (”junk”), care ar putea deține secretul unor boli grave - și chiar mai mult decât atât.

Pentru imagine, mulțumim
fr73 / iStockphoto

Proiectul Genomului Uman – secvențierea genomului uman – a fost o realizare majoră a ultimei decade: a dezvăluit tiparul genetic uman, toate cele trei miliarde de baze, dar povestea nu se oprește aici. Pentru a înțelege cum funcționează genomul este esențial să descifrăm modul în care celulele noastre interpretează această secvență.. Abia atunci vom reuși, poate, să folosim aceste cunoștințe în cercetarea biomedicală și în asistența medicală.

Figura 1: Date de ieșire dintr
-un aparat automat de
secvențiere a ADN-ului,
folosit în cadrul Proiectului
Genomului Uman pentru
determinarea secvenței
complete a ADN-ului uman.
Fiecare maxim indică
prezența unei anumite baze.
Proiectul Genomului Uman a
identificat 3 miliarde de litere
care compun genomul nostru.
ENCODE furnizează acum
detalii despre modul de
funcționare a genomului.
Clicați pe imagine pentru
a o mări.

Pentru imagine, mulțumim
Genome Research Limited

Una din marile surprize ale genomului uman a fost faptul că numai 2% din genom conține gene, adică instrucțiuni pentru producerea proteinelor. După ce s-au identificat alte câteva bucățele din genom, cum ar fi ARN-ul necodant, porțiunile implicate în controlul activității genelor și intronii (secțiuni din secvența unei gene care sunt îndepărtate înainte de translația moleculei de ARN mesager), părerea generală era că restul genomului nu are nicio funcție biologică. În consecință, a fost numit adesea ADN de umplutură (”junk”).

Mergând dincolo de secvență

Odată secvențiat genomul uman, era timpul să aflăm dacă aceste secvențe sunt întradevăr de umplutură. În 2003 a fost constituit consorțiul ENCODE pentru a caracteriza elementele necodante dar funcționale ale genomului uman. Consorțiul a fost susținut de Institutul Național pentru Cercetarea Genomului Uman din SUA și condus de Institutul European de Bioinformatică (EBI; vezi casetă) din Anglia. Faza pilot a ENCODE a durat din 2003 până în 2007 și a permis unei rețele globale de cercetători să testeze, să compare și să optimizeze metodele experimentale și informatice pentru identificarea părților active dintr-o porțiune de 1% din genom – în principal prin cernerea ”umpluturii” genomice.

Figura 2: Decodarea genomului: transfocare într-un cromozom până la ADN-ul dublu catenar. Această diagramă ilustrează unele dintre metodele folosite de cercetătorii de la ENCODE pentru a identifica porțiunile cu funcții biologice din genom: secvențierea transcriptului (RNA-seq și RT-PCR; pentru a identifica regiunile transcrise), imunoprecipitarea și secvențierea cromatinei (ChIP-seq; pentru identificarea secvențelor legate de proteine care sunt implicate în controlul transcripției), digestia cu DN-ază (DNase-seq; pentru identificarea cromatinei deschise), predicții informatice (pentru găsirea genelor și identificarea secvențelor înalt conservate) și teste de expresie cu gene reporter (de ex. testarea activității promoterului; nu apare în diagramă). Clicați pe imagine pentru a o mări.
Pentru imagine, mulțumim Ian Dunham
Figura 3: Proiectul ENCODE a
analizat 147 tipuri de celule
pentru a înțelege diferențele
în reglarea genomului în
diferitele tipuri de țesut. In
diagramă sunt indicate 47
din cele 147 tipuri de celule
incluse în studiu. S-au folosit
mai multe tipuri de celule
pentru că, deși celulele au
același genom, modul în care
ele folosesc această
informație diferă de la un tip
celular la altul. Clicați pe
imagine pentru a o mări.

Pentru imagine, mulțumim
Darryl Leja

Rezultatele lor inițiale, publicate în iunie 2007 (The ENCODE Project Consortium, 2007), oferă o viziune fabuloasă a activității genomului. De exemplu, datele combinate ale experimentelor de microarray (vezi Koutsos et al., 2009) și secvențiere au demonstrat că majoritatea genomului este transcris, inclusiv regiunile despre care se credea că sunt tăcute din punct de vedere transcripțional (figura 2). Deși rolul biologic al celor mai multe transcripturi este încă necunoscut, s-a demonstrat că unele dintre ele sunt reglatori importanți ai expresiei genelor. În general, acest ”instantaneu” al genomului arată că interacțiunea dintre gene, regiuni implicate în reglarea activității genelor și alte tipuri de secvențe de ADN este mult mai complexă decât s-ar fi crezut. Rezultatele au început deja să arate că genomul conține multe forme de elemente active și, în consecință, mai puține secvențe nefolosite decât s-a crezut.

După ce și-au testat cu succes strategia, cercetătorii de la ENCODE au început să analizeze întregul genom uman. Cercetările au fost ușurate de progresele făcute în secvențierea ADN și de disponibilitatea unor teste biochimice din ce în ce mai precise.

Analiza lor cartografiază sistematic trăsături ale genomului, așa cum o hartă descrie peisaje și forme geografice cum ar fi pădurile, râurile și munții. Cercetătorii de la ENCODE caută în genom caracteristici cum ar fi regiuni ale genomului marcate cu semnul ”shhhh” (tipuri specifice de grupări metil) care indică silențierea genelor, indicatoare ”leagă-te aici” pentru factorii de transcriere, regiuni de inițiere pentru stimularea transcripției și modificări ale ADN care controlează modul de împachetare al ADN-ului (figura 3).

Potop de date

Dacă rezultatele proiectului
ENCODE ar fi imprimate,
hârtia ar umple 12 autobuze.

Pentru imagine, mulțumim
marcus_jb1973 / Flickr

In septembrie 2012, după 5 ani de experimente și studii la care au participat 442 de cercetători din 32 de institute de cercetare din Anglia, SUA, Spania, Singapore și Japonia, proiectul ENCODE a anunțat rezultatele celei mai detaliate analize a întregului genom făcute până în prezent. Studiul a folosit aproximativ 300 de ani de timp de computer pentru a analiza 15 terabiți de date (15 x 1012 biți), care sunt toate disponibile public. Dacă datele ar fi imprimate pe hârtie, cu o densitate de 1000 perechi de baze per cm2, turnul de hârtie ar avea 16 m înălțime și mai mult de 30 m lungime: echivalentul, în volum, a 12 autobuze cu etaj.

Proiectul ENCODE este un exemplu de ce se poate realiza prin proiecte pe scară largă, care adună contribuțiile individuale a sute de cercetători, fiecare adăugând câte o piesă din puzzle pentru a obține o descriere completă a genomului, care nu ar fi putut fi obținută de nicio organizație individuală.

Animarea secvenței

Unul dintre cele mai impresionante lucruri demonstrate de experimentele ENCODE este faptul că genomul nostru, departe de a fi o sumă de secvențe predominant nefuncționale, este în plină activitate: 80% din genom participă efectiv la o acțiune. Ce face cu exactitate rămâne să fie descoperit dar, cu siguranță, 9% din el (și chiar mult mai mult decât atât) este implicat în reglarea expresiei genelor, controlând când și unde sunt exprimate proteinele. Procentul activ de 80% din genom conține mai mult de 70 000 regiuni ”promoter” – situsuri de legare pentru factorii de transcripție – și aproape 40 000 regiuni ”enhancer” – inițiatori care controlează expresia genelor aflate la distanță.

Un imens panou de control, tridimensional

Ca și consola de mixaj a unui
inginer de sunet, expresia
genelor se află sub un
control complex, genomul
uman conținând peste 4
milioane comutatoare genice.

Pentru imagine, mulțumim
Stuart Dallas Photography /
Flickr

În total, ENCODE a identificat mai mult de 4 milioane de ”comutatoare” de gene dispersate în genom. Vă puteți imagina genomul ca un imens panou de control, ca o consolă de mixaj a unui inginer de sunet, cu o mulțime de comutatoare care pornesc și opresc genele. Această informație ne aprofundează cunoștințele despre expresia genelor și deschide căi noi pentru tratarea bolilor. De exemplu, o modificare minoră a comutatorului genetic numit CARD9 este legată de o creștere cu 20% a riscului de a dezvolta boala Crohn, o boală inflamatorie intestinală. Ce-ar fi dacă am putea reseta comutatoarele genice înapoi la normal, dezactivând eficient cauzele unei boli?

Rezultatele ENCODE au aruncat lumină și asupra modului de organizare a genomului și interacțiilor fizice din interiorul lui. Cercetătorii au demonstrat că aceste comutatoare genice sunt în contact fizic cu genele pe care le controlează, chiar dacă sunt despărțite, linear, de sute de kilobaze. Avem tendința să ne imaginăm genomul ca o secvență lungă și dreaptă dar, în realitate, el este împachetat strâns în nucleul celulei, părți din zone diferite ale genomului fiind aduse aproape unele de altele.

Dezvoltând rezultatele

Datele ENCODE vor permite o
mai bună înțelegere a bazelor
genetice ale bolilor.

Pentru imagine, mulțumim
AlexRaths / iStockphoto

ENCODE pune la dispoziție o harta detaliată a genomului și deschide calea cercetării în domenii științifice cu totul noi. Așa cum explică Ian Dunham de la EBI, autor principal al articolului ENCODE, ”În multe cazuri s-ar putea să ai o idee despre genele implicate într-o boală dar s-ar putea să nu știi ce comutatoare sunt implicate. Uneori aceste comutatoare sunt surprinzătoare – locația lor pare să le lege de o boală complet diferită. ENCODE ne dă o serie de indicii valoroase pentru descoperirea mecanismelor cheie care fac deosebirea dintre boală și sănătate. Acestea pot fi exploatate pentru crearea unor medicamente cu totul noi sau pentru a redirecționa tratamentele existente.”

Pe lângă cunoștințele despre genele care sunt implicate într-o boală, cercetătorii știu acum și care sunt unele dintre comutatoarele care pornesc și opresc aceste gene. Aceste cunoștințe sunt în mod special valoroase pentru interpretarea rezultatelor studiilor populaționale care identifică legăturile dintre o genă și o boală. Combinând analiza funcțională a genomului făcută de ENCODE cu datele din studiile de asociere la nivelul întregului genom, cercetătorii pot asocia variațiile genetice care au fost legate de boală cu zonele cu funcții reglatoare, inclusiv comutatoare genice, identificate de ENCODE. Datele ENCODE vor permite o mai bună înțelegere a bazelor genetice ale bolilor și vor influența cercetarea științifică mulți ani de acum înainte.

Mai mult despre EBI

Laboratorul European de Biologie Moleculară (EMBL – European Molecular Biology Laboratory)w1 se află în topul mondial al institutelor de cercetare și se ocupă cu cercetarea fundamentală în domeniul științelor vieții. EMBL este internațional, inovator și interdisciplinar. Angajații săi, din 60 de țări, sunt specializați în biologie, fizică, chimie și informatică, cercetările lor acoperind tot spectrul biologiei moleculare.

EBIw2, aflat lângă Cambridge, Anglia, face parte din EMBL. El furnizează gratuit pentru comunitatea științifică internațională date experimentale din domeniul științelor vieții și face cercetări fundamentale în domeniul bioinformaticii. EBI este angajat în pregătirea cercetătorilor din mediul academic și din industrie pentru a obține maximum de informații din cantitatea incredibilă de rezultate obținute zilnic în experimentele din domeniul științelor vieții.

EMBL este membru al EIROforumw3, editorul Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Pentru a afla mai multe despre EMBL.
  • w2 – Pentru a afla mai multe despre EBI.
  • w3 – EIROforum este o colaborare între opt dintre cele mai mari organizații interguvernamentale de cercetare științifică din Europa, care contribuie cu toate resursele, aparatura și expertiza lor pentru ca știința europeană să-și realizeze potențialul maxim. Ca parte din activitățile de educație și informare, EIROforum editează Science in School.

Resources

Institution

EMBL

Author(s)

Dr. Louisa Wood lucrează la EBI și răspunde de asistența acordată școlilor și publicului larg. Ea are formație în biologia moleculară a plantelor și și-a făcut studiile doctorale la Centrul John Innes din Norwich, Anglia și la Institutul Max Planck pentru Selecția Plantelor din Köln, Germania. După aceea, a început o carieră în comunicarea științei și asistența acordată publicului. Lucrează la EBI din 2007.


Review

Acest articol aruncă lumină asupra uneia dintre cele mai recente evoluții din genetica umană: proiectul ENCODE și întreaga desfășurare a cercetării.

Atunci când elevii învață prima dată despre codul genetic ei sunt adesea surprinși de faptul ca numai 2% din ADN-ul uman codifică proteine în timp ce restul este considerat umplutură. Proiectul ENCODE a analizat o parte din acest ADN necodant și a demonstrat că nu este de loc de umplutură.

Atunci când discutați cu elevii Proiectul Genomului Uman, puteți introduce și ENCODE. Poate fi folositor să le oferiți elevilor informații generale despre reglarea genelor, bolile genetice și tratamentul lor sau tehnicile utilizate în cercetarea genetică. Articolul le poate trezi elevilor interesul pentru bioinformatică și îi puteți încuraja să facă o căutare bibliografică asupra proiectului ENCODE.


Namrata Garware, India




License

CC-BY-NC-ND