İnsanın molekulyar genetikası və genomikası – Mühüm inkişaflar və həyəcanverici imkanlar

Ötən 50 ildə molekulyar genetikada baş verən nəfəs kəsən inkişafları və genomik təbabətə keçidi, 1970-ci illərdə təsəvvür etmək çətin olardı. Genomika termini hələ yaranmamışdı, müasir biotexnologiyanın əsasını təşkil edən alətlər və texnologiyalar başlanğıc mərhələsində idi və hətta bir neçə nukleotidin sekvenslənmə (ardıcıllığın müəyyən edilməsi) üsulu da nadir hallarda tətbiq edilə bilirdi (genetik kodumuzun ətraflı xəritəsinin çıxarılması).

Əvvəlcədən proqnozlaşdırılması mümkün olmayan inkişaflar

Genomik təbabətin ilk addımları, Boyer və Cohenin rekombinant üsulu, Sangerin DNA-sekvensləmə işi və Mullinin polimeraza zəncirvari reaksiyası (PCR) texnologiyası kimi DNA ilə əlaqəli, paradiqmanı dəyişdirən kəşflər idi. Hətta bu təməl qarşısında belə, insan genomunu sekvensləmək səyi üçün “böyük elm” anlayışı radikal görünürdü.

1987-ci ildə New York Times jurnalında İnsan Genomu Layihəsi, tarixdəki ən böyük, ən bahalı, ən provokativ biotibbi tədqiqat layihəsi kimi qiymətləndirildi. Lakin layihənin başladığı 1990-cı illə tamamlandığı 2003-cü il arasında genomik texnologiya nəzərəçarpacaq dərəcədə inkişaf etdi.

DNA sekvensləmə həcmi gündə 1000 əsas cütündən saniyədə 1000 əsas cütündən çox səviyyəyə yüksəldi; bu da adi tibbi müalicəyə daxil ediləcək genomik inkişaflara imkan verən aşağı xərcli sekvensləmə üsullarına qapı açdı. Genomik tədqiqat insanın genetik kodunun əsasını anlamaq axtarışından başlayaraq, bu kodun insanlar arasında fərqlənmə yollarını açıqlamağa və daha sonra həmin məlumatları xəstəliklərin altında yatan səbəbləri dəqiq hədəfləmək üçün uyğunlaşdırılmış müdaxilələrə tətbiq etməyə qədər geniş sahəyə yayıldı.

DNA nərdivana bənzəyən quruluşu ilə birlikdə ikiqat spirallı olub 4 növ nukleotiddən (Adenin, Timin, Sitozin və Quanin) ibarətdir. Bu baxımdan genetik kodumuz olan DNA 4 hərfli dil kimi düşünülə bilər. DNA hüceyrələrə nə etməli olduqları barədə göstərişlər verir. İnsan DNA-sı 3 milyard nukleotid cütündən ibarətdir və DNA spiralının təxminən %2-si hüceyrələrin əsas tikinti materialı olan zülalların istehsalına cavabdehdir; DNA-nın bu mənalı hissələrinə gen deyilir. DNA-mızda təxminən 20 min gen var və bütün genlərin birləşməsinə genom deyilir.

Genomik inkişaflar təbabətin təbiətini dəyişdirdi

Genomik alətlərin və məlumat dəstlərinin inkişafı alimlərə namizəd yollara yönəlmiş hipotezləri yoxlamaqla məhdudlaşmaq əvəzinə, əhatəli və güclü kəşflərə addım atmaq imkanı yaradaraq tibbi kəşfin təbiətini dəyişdirdi. İnsan genomunun sekvenslənməsinin ilk mənbəyi tamamlandıqdan sonra diqqət genlərin araşdırılmasından genlərin funksiyalarını kəşf etməyə yönəldi. Ailələrdə və cəmiyyətlərdə sistematik genetik xəritələmə alimlərə insan xəstəliklərinə səbəb olan genetik dəyişikliklərin dəqiq yerini müəyyənləşdirməkbaxımından kömək etdi. İnsan Genomu Layihəsinin nəticəsi olaraq 2000-ci ildən sonrakı təbabət sanki yenidən yazıldı.

Təsirlər çox dərindir. Nadir Mendel xəstəliklərinə (irsi vəziyyətlərin bir növü) cavabdeh olan 5000-dən çox genin kəşfi əksər xəstələr üçün genetik diaqnozu, hamiləliklə əlaqəli məsləhəti, yeni dərman müalicələrini və bəzi hallarda gen terapiyalarını asanlaşdırır.

Genomik bölgələrlə geniş yayılmış xəstəliklər arasında 100,000-dən çox güclü əlaqənin kəşfi Alzheimer xəstəliyində mikroqliyanın, iltihabi bağırsaq xəstəliyində autofagiyanın, şizofreniyada sinaptik budanmanın rolu kimi yeni bioloji mexanizmləri göstərdi. Həmçinin klinik nəticələrin qiymətləndirilməsini də əhatə edən əlavə ciddi yoxlamalara ehtiyac olsa da, ürək-damar xəstəliyi, süd vəzi xərçəngi və digər vəziyyətlər üçün yüksək riskli xəstələri müəyyənləşdirmək məqsədilə poligenetik risk ballarının hazırlanmasına imkan verdi.

Xərçəng genomu tədqiqatları şişin başlanmasını və böyüməsini təşviq edən somatik (irsi olmayan) mutasiyalarda yüzlərlə geni üzə çıxardı; bu məlumat yeni dərmanların hazırlanmasına təkan verdi (onkologiyada bunlara genetik hədəflərə yönəlmiş ağıllı dərmanlar deyirik).

Xərçəngdə genomik analizlər (genetik testlər) həmçinin bəzi insanlar bunu bacarmadığı halda digərlərinin niyə müəyyən müalicələrə cavab verdiyini və ya müəyyən infeksiyalardan sağ çıxdığını izah etməyə kömək edir.

İnsanın molekulyar genetikası və genomikasında mühüm məqamlar – Qısa tarixçə

Qısaltmalar: Cas9: CRISPR ilə əlaqəli zülal 9 / CRISPR: Müntəzəm aralıqlarla bölünmüş palindromik təkrar qrupları / İGP: İnsan Genomu Layihəsi / NIH: ABŞ Milli Sağlamlıq İnstitutu

• 1973 – Herbert Boyer və Stanley Cohen rekombinant DNA texnologiyasını inkişaf etdirdi.
• 1977 – Walter Gilbert və Fredick Sanger DNA sekvensləmə üsullarını kəşf etdi.
• 1983 – Kary Mullis polimeraza zəncirvari reaksiyası (PCR) tətbiqini icad etdi.
  Xəstəliklə əlaqəli ilk gen James Gusella və Nancy Wexler tərəfindən molekulyar olaraq insan xromosomuna xəritələnir.
• 1986 – Leroy Hood avtomatlaşdırılmış DNA sekvensləyicisini icad etdi.
• 1990 – NIH və Enerji Departamenti İnsan Genomu Layihəsini (İGP) başladır.
• 1994 – İGP-nin insan genetikasının xəritələnməsi məqsədlərinə nail olundu. 
• 1995 – İGP-nin insan genetikasının xəritələnməsi məqsədlərinə nail olundu.
• 1996 – İGP insan genomunun geniş miqyasda sekvenslənməsi üçün strategiyaları sınaqdan keçirməyə başlayır.
• 1997 – “Bermuda Prinsipləri” adlandırılacaq razılaşmada İGP tədqiqatçıları genom ardıcıllığı məlumatlarının istifadə məhdudiyyəti olmadan sürətlə və ictimaiyyətə açıq dərcini təsdiqlədilər.
• 2001 – İGP beynəlxalq konsorsiumu insan genomu ardıcıllığının ilk qaralamasını dərc edir; J. Craig Venterin Celera Genomika Cəmiyyətindəki qrupu ardıcıllığın başqa versiyasını dərc edir.
• 2002 – Beynəlxalq HapMap Layihəsi geniş yayılmış xəstəliklərlə əlaqəli genlərin müəyyən edilməsini sürətləndirmək üçün istifadə oluna biləcək insan genetik variasiyaları barədə məlumat toplamaq məqsədilə başladılır.
• 2003 – İGP insan genomunun istinad ardıcıllığını yaradaraq planlaşdırılandan iki il əvvəl tamamlanır.
• 2006 – NIH, 33 xərçəng növünü əhatə edən 20,000-dən çox nümunəni molekulyar səviyyədə xarakterizə etmək üçün Xərçəng Genomu Atlasını (TCGA) başladır.
• 2008 – Tibbi sığortada və məşğulluqda genetik məlumatdan ayrı-seçkilik məqsədilə istifadəyə qarşı müdafiə üçün ABŞ Genetik Məlumat üzrə Ayrı-seçkiliyə Yol Verilməməsi Aktı qanuniləşdirilir.
• 2009 – Klinik sahədə ilk dəfə Wisconsin tədqiqatçıları 5 yaşlı oğlanın bütün genlərini sekvensləyir və məlumatlardan yeni xəstəliyin dəqiq yerini müəyyənləşdirmək üçün istifadə edirlər; bu da həyat qurtaran müalicəyə gətirib çıxarır.
• 2012 – Afrikada İnsan İrsiyyəti və Sağlamlığı (H3Afrika) konsorsiumu açılış toplantısını Efiopiyanın Addis Ababa şəhərində keçirir.
• Emanuella Charpentier və Jennifer Doudna CRISPR-in DNA-nı in vitro redaktə edə bildiyini göstərirlər (bu, onlara 2020-ci ildə Kimya sahəsində Nobel Sülh Mükafatını qazandırır); təxminən 6 ay sonra Feng Zhang və George Church məməli hüceyrələrində CRISPR redaktəsini müstəqil şəkildə sübut edirlər.
• 2018 – TCGA bütün məlumat dəstinə əsaslanan xərçənglərarası analizlər toplusu olan Pan-Xərçəng Atlasını dərc edir.
  NIH genetik, sağlamlıq və ətraf mühit məlumatlarına töhfə verəcək 1 milyondan çox iştirakçıdan ibarət geniş miqyaslı tədqiqat mənbəyi olan “Hamımız (All of Us)” tədqiqat proqramı üçün qeydiyyata başlayır.
• 2020 – Oraqvari hüceyrəli anemiya xəstəliyi olan ilk xəstə CRISPR – Cas9 istifadə edilərək ex vivo yanaşma ilə müalicə olunur.

Tədqiqatçılar gen ifadəsinə diqqət yetirdilər

Son dövrlərdə genetik tədqiqatların mərkəzi DNA variasiyalarının (fərqliliklərinin) analizindən kənara çıxaraq ayrı-ayrı hüceyrələrdə gen ifadəsi modelinin öyrənilməsinə yönəldi; bu addım təkhüceyrəli RNA sekvensləmə və xromatin analizi üçün yeni üsullarla mümkün oldu. İnsan bədəninin tam hüceyrə atlasına doğru indiyədək on milyonlarla hüceyrə xarakterizə edildi. Bu səy yüzlərlə yeni hüceyrə növünü üzə çıxarır və müxtəlif xəstəlikləri olan insanlarla sağlam insanlar arasında hüceyrə növlərinin fərqlənmə yollarını xarakterizə edir.

İnsan Genomu Layihəsi dövründə 3 milyard dollar olan və bu gün 600 dollara düşən tam genom sekvensləmə xərci ilə geniş miqyaslı tam genom sekvensləmə biobankları və yüz minlərlə insandan əldə olunan fenotip məlumatları yaratmaq üçün səylər artır. Nümunələrə Birləşmiş Krallıq Biobankı və ABŞ-ın “Hamımız (All of Us)” tədqiqat proqramı daxildir. Son məqsəd tibbi qeydlərlə genomik məlumatları birləşdirən səhiyyə sistemləridir.

• Əlaqəli mövzu: Tam ekzom sekvensləmə, genom ardıcıllığı analizi nədir?

Hələ çox yolumuz var

İnsanın genetik fərqliliklərini və xəstəliklərin genetik əsaslarını anlamaq üçün görüləcək hələ xeyli iş var.

Müxtəlif xəstəlik keçmişləri olan insanları öyrənməklə biologiya və sağlamlıq fərqliliklərinin mahiyyətini anlamaq vədinə baxmayaraq, həm tədqiqatçılar, həm də genomik tədqiqata cəlb edilən iştirakçılar böyük ölçüdə Avropa mənşəlidir. Bu müxtəliflik çatışmazlığı öz biologiyamızı anlamağımıza mane olur, onsuz da qəbuledilməz olan sağlamlıq fərqliliklərini ağırlaşdırır və genomik tədqiqatlardan əldə edilən poligenetik risk ballarının, diaqnozların və dərmanların bütün cəmiyyətlərə eyni dərəcədə fayda verib-verməyəcəyi sualını doğurur.

Fərqli ailə mənşəyi olan insanlar üzərində aparılan tədqiqatlar aşağıdakıları üzə çıxardı:

• genomik variasiyalar xəstəliklərə tutulma riskində,
• dərmanlara cavabda və
• genomik tədqiqatın istiqamət verdiyi klinik yanaşmaların diaqnostik dəqiqliyində cəmiyyət səviyyəsindəki fərqlilikləri

Nümunələr

Afrika yuxu xəstəliyindən qoruyan, lakin böyrək çatışmazlığı riskini artıran Afrika mənşəyinə xas APOL1 variantı: bu variantlar Birləşmiş Ştatlarda Afrika mənşəli insanlarda diabetik olmayan böyrək çatışmazlığı hallarının təxminən %70-ni təşkil edir.

Yerli amerikalıların təxminən yarısında mövcud olan, Avropa və ya Afrika mənşəli insanlarda isə nadir görülən SLC16A11-də tip 2 diabet üçün risk haplotipi avropalı amerikalılarla müqayisədə meksikalı amerikalılar arasında tip 2 diabet tezliyinin artımının təxminən %20-ni izah edir.

Genomik tədqiqatlar həmçinin PCSK9 funksiya itkisi mutasiyalarının Afrika mənşəli insanlarda digər cəmiyyətlərdən daha geniş yayıldığını göstərir; belə mutasiyalar xolesterin səviyyələrini və ürək xəstəlikləri riskini azaldır.

Əvvəllər yetərincə təmsil olunmayan cəmiyyətlərdən tədqiqatçıların və tədqiqat iştirakçılarının cəlbini artırmaq üçün hazırlanmış bir neçə təşəbbüs davam edir. Afrikadakı İnsan İrsiyyəti və Sağlamlığı təşəbbüsü, məsələn, 500-dən çox afrikalı alimin genomik texnologiyalara çıxışını təmin edən pan-Afrika laboratoriyaları konsorsiumunu inkişaf etdirdi; 60.000-dən çox tədqiqat iştirakçısı qeydiyyata alındı, bioinformatika şəbəkəsi və üç regional biorepozitori yaradıldı.

Hədəf: Gen redaktəsi texnologiyaları

Genetik xəstəliklərə diaqnoz genomik sekvensləmə texnologiyası sayəsində artıq daha sürətlə qoyulur. Lakin müalicələri hazırlamaq və təsdiqləmək daha çətindir. Bəzi Mendel pozuntuları üçün molekulyar hədəflənmiş dərmanlar patologiyanın ətraflı anlaşılmasından istifadə edilərək hazırlanıb. CFTR geninin 1989-cu ildəki kəşfinə əsaslanan iş sayəsində, məsələn, təhlükəsiz və təsirli molekulyar hədəflənmiş dərmanlar kistik fibrozlu insanların %90-nə tövsiyə oluna bilər. Lakin bu yanaşma onilliklər çəkə bilər və dəqiq molekulyar səbəbi bilinmədiyindən minlərlə genetik pozuntu üçün yaxşı miqyaslana bilmir.

Birbaşa geni hədəfləyən təsirli müalicəyə imkan verən strategiya mühüm inkişaflar gətirə bilərdi. Enişli-yoxuşlu illərdən sonra spinal əzələ atrofiyası və hemofiliya kimi sahələrdə gen terapiyasının bəzi mühüm uğurları meydana çıxır. Bu tədqiqatın tempi gələcəkdə əhəmiyyətli dərəcədə arta bilər; dəqiq hədəflənmiş gen redaktəsi texnologiyaları hazırda müalicələr üçün yeni yollar açır.

Xarici məzmunu görmək üçün seçimləri tənzimləyin

Xarici məzmunu görmək üçün seçimləri tənzimləyin

2020 Nobel Kimya Mükafatı

Ötən 8 ildən artıq müddət ərzində CRISPR – Cas9 (müntəzəm aralıqlarla bölünmüş palindromik təkrar qrupları – CRISPR ilə əlaqəli zülal 9) texnologiyaları genomları öyrənmək və dəyişdirmək üçün uyğunlaşdırıla bilən, əlçatan alətlər kimi meydana çıxdı. CRISPR – Cas9 sahəyə xas DNA təmirini başladan hədəflənmiş DNA parçaları yaradaraq genomu redaktə etmək üçün istifadə oluna bilər. Növbəti nəsil formatlarında həmçinin genlərin transkripsiya məhsullarına nəzarət edə və ya DNA parçalarının təmirini tələb etməyən nukleotid əsas redaktəsi prosesindən istifadə etməklə genom ardıcıllıqlarını dəyişdirə bilər. Bu texnologiyalar yetkinləşdikcə hüceyrə genomlarını təsirli və dəqiq şəkildə dəyişdirmək getdikcə mümkün olacaq.

CRISPR texnologiyası həm indiyədək gətirdikləri, həm də gələcəyi dəyişdirmək potensialı ilə 2020 Nobel Kimya Mükafatına layiq görüldü.

Layihələndirilmiş nukleazların dərhal ardınca gələn CRISPR – Cas9 alətləri hüceyrələrdə və ya model orqanizmlərdə demək olar ki, hər genin yüksək effektivliklə redaktəsinə və ya nokaut edilməsinə imkan verərək genomik tədqiqatın tempini artırır. Çoxsaylı CRISPR – Cas9 əsaslı klinik sınaqlar davam edir və ya tezliklə başlanması gözlənilir. Cas9 ilə layihələndirilmiş hüceyrələr hələ miqyaslı effektivliyini sübut etməsə də, ilkin sınaq nəticələri belə hüceyrələrin sabit olduğunu və insanda qəfil mənfi reaksiyalara səbəb olmadığını göstərib. Uzunmüddətli təhlükəsizlik hələ müəyyənləşdirilməyib. Mövcud tətbiqlər oraqvari hüceyrəli anemiya halında sümük iliyinin hematopoetik kök hüceyrələri kimi uyğun hüceyrələrdə gen redaktəsinin ex vivo aparılması üçün əsasən təkgenli pozuntulara yönəlir. Kəşflər gen redaktəsi alətini uyğun toxumaya in vivo yönəldə bilən çatdırılma sistemlərinin hazırlanması istiqamətindədir.

Nəticə

Genomik texnologiya inkişafları fundamental elmi güclü istiqamətlərə aparmağa davam edəcək; bunların hamısını əvvəlcədən görmək mümkün olmaya bilər. Bundan 10 il əvvəl genomlar, transkriptomlar və xromatin işarələri barədə böyük həcmdə məlumatlara dərhal və pulsuz çıxışı təsəvvür belə edə bilməzdik; qarşıdakı 5-10 ildə bu mümkün olacaq və getdikcə həmin məlumatlar ayrı-ayrı hüceyrələr üçün əlçatan olacaq. Bütün bioloqlar, genetiklər və bioinformatiklər belə məlumat dəstlərinə hazır olmalıdırlar. Bu miqyasda genomik məlumat çox mürəkkəb hesablama analizləri tələb edən bioloji anlayışlar üçün imkanlar yaradacaq.