ژنتیک مولکولی و ژنومیک انسان – پیشرفت‌های مهم و امکان‌های هیجان‌انگیز

پیشرفت‌های نفس‌گیر ژنتیک مولکولی در 50 سال گذشته و گذار به پزشکی ژنومیکرا در سال‌های 1970 به‌سختی می‌شد تصور کرد. هنوز اصطلاح ژنومیک ساخته نشده بود، ابزارها و فناوری‌های پایه زیست‌فناوری نوین در آغاز راه بودند و حتی روش توالی‌یابی چند نوکلئوتید به‌ندرت قابل‌اجرا بود (تهیه نقشه دقیق رمز ژنتیکی ما).

پیشرفت‌های پیش‌بینی‌ناپذیر

نخستین گام‌های پزشکی ژنومیککشف‌های تغییردهنده الگو در زمینه DNA بودند؛ مانند روش نوترکیبی بویر و کوهن، پژوهش توالی‌یابی DNA سنگر و فناوری واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) مولیس. حتی بر این پایه، مفهوم «علم بزرگ» برای تلاش توالی‌یابی ژنوم انسان رادیکال به نظر می‌رسید.

در 1987، New York Times در نشریه خود، پروژه ژنوم انسان, را بزرگ‌ترین، پرهزینه‌ترین و بحث‌برانگیزترین پروژه پژوهش زیست‌پزشکی تاریخ توصیف کرد. اما از شروع پروژه در 1990 تا تکمیل آن در 2003، فناوری ژنومیک به‌طرزی چشمگیر پیشرفت کرد.

میزان توالی‌یابی DNA از روزانه 1000 جفت‌باز به بیش از 1000 جفت‌باز در ثانیه رسید و راه را برای روش‌های کم‌هزینه‌ای گشود که پیشرفت‌های ژنومیک را وارد درمان پزشکی معمول می‌کنند. پژوهش ژنومیک از جست‌وجوی درک بنیاد رمز ژنتیکی انسان، تا توضیح راه‌های تفاوت این رمز میان انسان‌ها و سپس کاربرد اطلاعات در مداخله‌های متناسب با هدف‌گیری دقیق علل بیماری گسترش یافت.

DNA با ساختاری نردبان‌مانند، مارپیچی دوگانه است و از 4 نوع نوکلئوتید (آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین) تشکیل می‌شود. از این دیدگاه DNA، رمز ژنتیکی ما، مانند زبانی 4 حرفی است. DNA به سلول‌ها دستور می‌دهد چه کنند. DNA انسان 3 میلیارد جفت نوکلئوتید دارد و حدود %2 مارپیچ آن مسئول تولید پروتئین‌ها، واحدهای پایه ساختار سلول، است؛ این بخش‌های معنی‌دار ژن نام دارند. DNA ما حدود 20 هزار ژن دارد و مجموع همه ژن‌ها ژنوم نامیده می‌شود.

پیشرفت ژنومیک ماهیت پزشکی را تغییر داد

توسعه ابزارها و مجموعه‌داده‌های ژنومیک، ماهیت کشف پزشکی را تغییر داد؛ دانشمندان به‌جای محدود ماندن به آزمودن فرضیه‌های مسیرهای نامزد، توانستند به کشف‌های جامع و قدرتمند برسند. با تکمیل نخستین مرجع توالی‌یابی ژنوم انسان، توجه از بررسی ژن‌ها به کشف کارکرد ژن‌ها چرخید. نقشه‌برداری ژنتیکی نظام‌مند خانواده‌ها و جمعیت‌ها به دانشمندان کمک کرد محل دقیق تغییرات ژنتیکی ایجادکننده بیماری انسان را تعیین کنند. در نتیجه پروژه ژنوم انسان، پزشکی پس از 2000 گویی بازنویسی شد.

پیامدها بسیار عمیق‌اند. کشف بیش از 5000 ژن مسئول بیماری‌های نادر مندلی (نوعی وضعیت ارثی)، تشخیص ژنتیکی بسیاری از بیماران، مشاوره بارداری، درمان‌های دارویی تازه و گاهی ژن‌درمانی را آسان می‌کند.

کشف بیش از 100,000 ارتباط قوی میان نواحی ژنوم و بیماری‌های شایع، سازوکارهای زیستی تازه‌ای مانند نقش میکروگلیا در آلزایمر، اتوفاژی در بیماری التهابی روده و هرس سیناپسی در اسکیزوفرنی را نشان داد. همچنین امکان ساخت امتیازهای خطر چندژنی برای شناسایی افراد پرخطر از نظر بیماری قلبی‌عروقی، سرطان پستان و وضعیت‌های دیگر را فراهم کرد؛ هرچند آزمون‌های دقیق‌تر، از جمله ارزیابی پیامدهای بالینی این بیماری‌ها، لازم است.

پژوهش‌های ژنوم سرطان صدها ژن دارای جهش پیکری (غیرارثی) را آشکار کردند که آغاز و رشد تومور را تقویت می‌کنند. این دانش توسعه داروهای تازه را برانگیخت که در سرطان‌شناسی داروهای هوشمندِ هدف‌گیرنده ژنتیکی می‌نامیم.

تحلیل ژنومیک سرطان (آزمایش ژنتیک) همچنین کمک می‌کند توضیح دهیم چرا برخی افراد به درمان مشخص پاسخ می‌دهند یا از عفونت مشخص جان سالم می‌برند و برخی چنین نمی‌کنند.

نقاط مهم ژنتیک مولکولی و ژنومیک انسان – تاریخچه‌ای کوتاه

اختصارها: Cas9: پروتئین 9 مرتبط با CRISPR / CRISPR: تکرارهای پالیندرومیک خوشه‌ای با فاصله‌های منظم / İGP: پروژه ژنوم انسان / NIH: مؤسسه ملی سلامت آمریکا

• 1973 – هربرت بویر و استنلی کوهن فناوری DNA نوترکیب را توسعه دادند.
• 1977 – والتر گیلبرت و فردریک سنگر روش‌های توالی‌یابی DNA را کشف کردند.
• 1983 – کری مولیس روش واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) را اختراع کرد.
  جیمز گوسلا و نانسی وکسلر نخستین ژن مرتبط با بیماری را از نظر مولکولی روی یک کروموزوم انسان نقشه‌برداری می‌کنند.
• 1986 – لروی هود دستگاه خودکار توالی‌یابی DNA را اختراع کرد.
• 1990 – NIH و وزارت انرژی پروژه ژنوم انسان (İGP) را آغاز می‌کنند.
• 1994 – هدف‌های نقشه‌برداری ژنتیک انسانی İGP محقق شد. 
• 1995 – هدف‌های نقشه‌برداری ژنتیک انسانی İGP محقق شد.
• 1996 – İGP آزمودن راهبردهای توالی‌یابی گسترده ژنوم انسان را آغاز می‌کند.
• 1997 – در آنچه «اصول برمودا» نام گرفت، پژوهشگران İGP انتشار سریع و عمومی داده‌های توالی ژنوم بدون محدودیت استفاده را تأیید کردند.
• 2001 – کنسرسیوم بین‌المللی İGP نخستین پیش‌نویس توالی ژنوم انسان را منتشر می‌کند؛ گروه J. کریگ ونتر در انجمن ژنومیک Celera نسخه دیگری منتشر می‌کند.
• 2002 – پروژه بین‌المللی HapMap برای جمع‌آوری داده‌های تنوع ژنتیکی انسان آغاز می‌شود تا شناسایی ژن‌های مرتبط با بیماری شایع را سرعت دهد.
• 2003 – İGP با تولید توالی مرجع ژنوم انسان دو سال زودتر از برنامه تکمیل می‌شود.
• 2006 – NIH اطلس ژنوم سرطان (TCGA) را برای توصیف مولکولی بیش از 20,000 نمونه در 33 نوع سرطان آغاز می‌کند.
• 2008 – قانون عدم تبعیض اطلاعات ژنتیکی آمریکا برای محافظت در برابر استفاده تبعیض‌آمیز از اطلاعات ژنتیکی در بیمه سلامت و اشتغال تصویب می‌شود.
• 2009 – در نخستین کاربرد بالینی، پژوهشگران ویسکانسین همه ژن‌های پسربچه‌ای 5 ساله را توالی‌یابی و با داده‌ها محل دقیق بیماری تازه‌ای را مشخص می‌کنند که به درمان نجات‌بخش می‌انجامد.
• 2012 – کنسرسیوم وراثت و سلامت انسان در آفریقا (H3Afrika) نشست افتتاحیه را در آدیس‌آبابای اتیوپی برگزار می‌کند.
• امانوئلا شارپنتیه و جنیفر دودنا نشان می‌دهند CRISPR می‌تواند DNA را در محیط آزمایشگاهی ویرایش کند (که برایشان جایزه صلح نوبل شیمی 2020 را به ارمغان می‌آورد)؛ حدود 6 ماه بعد فنگ ژانگ و جورج چرچ مستقل از هم ویرایش CRISPR را در سلول پستانداران اثبات می‌کنند.
• 2018 – TCGA اطلس پان‌سرطان را منتشر می‌کند؛ مجموعه تحلیل‌های بین‌سرطانی بر پایه کل مجموعه‌داده.
  NIH ثبت‌نام برنامه پژوهشی «همه ما (All of Us)» را آغاز می‌کند؛ منبعی پژوهشی در مقیاس بزرگ با بیش از 1 میلیون شرکت‌کننده که داده ژنتیک، سلامت و محیط ارائه می‌دهند.
• 2020 – نخستین بیمار مبتلا به کم‌خونی داسی‌شکل با CRISPR – Cas9 و رویکرد خارج از بدن درمان می‌شود.

پژوهشگران بر بیان ژن تمرکز کردند

اخیراً تمرکز پژوهش ژنتیک از تحلیل تنوع DNA فراتر رفته و به بررسی الگوی بیان ژن در تک‌سلول‌ها رسیده است؛ گامی با روش‌های تازه توالی‌یابی RNA تک‌سلولی و تحلیل کروماتین. تاکنون برای رسیدن به اطلس کامل سلولی بدن انسان، ده‌ها میلیون سلول توصیف شده‌اند. این تلاش صدها نوع سلول تازه را آشکار و شیوه تفاوت انواع سلول در بیماران مختلف و افراد سالم را مشخص می‌کند.

با کاهش هزینه توالی‌یابی کل ژنوم از 3 میلیارد دلار در پروژه ژنوم انسان به 600 دلار امروز، تلاش‌ها برای ساخت زیست‌بانک‌های توالی کل ژنوم و اطلاعات فنوتیپی صدها هزار نفر بیشتر شده است. نمونه‌ها شامل زیست‌بانک بریتانیا و برنامه پژوهشی آمریکایی «همه ما (All of Us)» هستند. هدف نهایی، سامانه‌های مراقبت سلامت برای ترکیب پرونده پزشکی با اطلاعات ژنومیک است.

• موضوع مرتبط: توالی‌یابی کل اگزوم و تحلیل توالی ژنوم چیست؟

هنوز راه درازی داریم

برای درک تفاوت‌های ژنتیکی انسان و پایه ژنتیکی بیماری‌ها کار فراوانی مانده است.

با وجود وعده شناخت بهتر زیست‌شناسی و تفاوت‌های سلامت از راه بررسی افراد با پیشینه بیماری متنوع، پژوهشگران و شرکت‌کنندگان پژوهش ژنومیک عمدتاً اروپایی‌تبارند. این کمبود تنوع درک زیست‌شناسی خودمان را محدود می‌کند، تفاوت‌های از پیش ناپذیرفتنی سلامت را بدتر می‌کند و می‌پرسد آیا امتیاز خطر چندژنی، تشخیص و داروی حاصل از ژنومیک به همه جوامع به یک اندازه سود می‌رساند.

پژوهش افراد با پیشینه خانوادگی متفاوت، موارد زیر را آشکار کرد:

• تفاوت‌های جمعیتی ناشی از تنوع ژنومیک در خطر ابتلا به بیماری،
• پاسخ به دارو و
• دقت تشخیصی رویکردهای بالینی هدایت‌شده با پژوهش ژنومیک، تفاوت‌هایی در سطح جمعیت.

نمونه‌ها

واریانت APOL1 ویژه تبار آفریقایی که از بیماری خواب آفریقایی محافظت می‌کند اما خطر نارسایی کلیه را بالا می‌برد: این واریانت‌ها حدود %70 نارسایی کلیه غیردیابتی در آفریقایی‌تباران آمریکا را تشکیل می‌دهند.

هاپلوتیپ خطر دیابت نوع 2 در SLC16A11 که در حدود نیمی از بومیان آمریکا وجود دارد و در اروپایی‌تباران یا آفریقایی‌تباران نادر است، حدود %20 افزایش فراوانی دیابت نوع 2 در آمریکایی‌های مکزیکی‌تبار نسبت به آمریکایی‌های اروپایی‌تبار را توضیح می‌دهد.

پژوهش ژنومیک نشان می‌دهد جهش‌های ازدست‌رفتن کارکرد PCSK9 در آفریقایی‌تباران از جوامع دیگر شایع‌ترند؛ این جهش‌ها سطح کلسترول و خطر بیماری قلبی را کاهش می‌دهند.

چند ابتکار برای افزایش حضور پژوهشگران و شرکت‌کنندگان جوامع کم‌نماینده در جریان است. در آفریقا، ابتکار وراثت و سلامت انسان برای مثال کنسرسیوم آزمایشگاه‌های سراسر آفریقا را توسعه داد و دسترسی بیش از 500 دانشمند آفریقایی به فناوری ژنومیک را فراهم کرد؛ بیش از 60.000 شرکت‌کننده ثبت‌نام شدند و شبکه زیست‌داده‌ورزی و سه زیست‌مخزن منطقه‌ای تأسیس شد.

هدف: فناوری‌های ویرایش ژن

تشخیص بیماری ژنتیکی با فناوری توالی‌یابی ژنوم اکنون سریع‌تر است، اما توسعه و اعتبارسنجی درمان دشوارتر است. برای بعضی اختلال‌های مندلی، با درک دقیق آسیب‌شناسی داروهای مولکولی هدفمند ساخته شده‌اند. ژن CFTRبا پژوهش مبتنی بر کشف آن در 1989، برای مثال داروهای مولکولی هدفمند ایمن و مؤثر را می‌توان به %90 افراد مبتلا به فیبروز کیستیک پیشنهاد کرد. اما این رویکرد ممکن است دهه‌ها طول بکشد و برای هزاران اختلال ژنتیکی با علت مولکولی دقیق ناشناخته به‌خوبی مقیاس‌پذیر نیست.

راهبردی که درمان مؤثر با هدف‌گیری مستقیم ژن را ممکن کند، می‌تواند پیشرفت مهمی ایجاد کند. پس از سال‌های پرفرازونشیب، موفقیت‌های مهم ژن‌درمانی، مانند آتروفی عضلانی نخاعی و هموفیلی، پدیدار می‌شوند. سرعت پژوهش ممکن است در آینده بسیار بیشتر شود؛ فناوری‌های دقیقِ ویرایش ژن اکنون راه‌های تازه‌ای برای درمان فراهم می‌کنند.

برای مشاهده محتوای خارجی، تنظیمات را مدیریت کنید

برای مشاهده محتوای خارجی، تنظیمات را مدیریت کنید

جایزه نوبل شیمی 2020

طی بیش از 8 سال گذشته، CRISPR – Cas9 (تکرارهای پالیندرومیک خوشه‌ای با فاصله منظم – پروتئین 9 مرتبط با CRISPR) به‌عنوان فناوری‌هایی انعطاف‌پذیر و در دسترس برای بررسی و تغییر ژنوم پدیدار شدند. CRISPR – Cas9 با ایجاد قطعات هدفمند DNA که ترمیم DNA را تحریک می‌کنند در محل مشخص، می‌تواند برای ویرایش ژنوم استفاده شود. در شکل‌های نسل بعد، می‌تواند خروجی رونویسی ژن‌ها را نیز کنترل کند یا با ویرایش باز نوکلئوتیدی بدون نیاز به ترمیم قطعات DNA، توالی ژنوم را تغییر دهد. با بلوغ این فناوری‌ها، تغییر مؤثر و دقیق ژنوم سلولی هرچه بیشتر ممکن می‌شود.

فناوری CRISPR هم به دلیل دستاوردهای کنونی و هم توان تغییر آینده، شایسته جایزه نوبل شیمی 2020شناخته شد.

پس از نوکلئازهای طراحی‌شده، ابزارهای CRISPR – Cas9 با امکان ویرایش یا ناک‌اوت بسیار مؤثر تقریباً هر ژن در سلول یا موجود مدل، سرعت پژوهش ژنومیک را بالا می‌برند. چند کارآزمایی بالینی مبتنی بر CRISPR – Cas9 در جریان است یا به‌زودی آغاز می‌شود. اگرچه سلول‌های طراحی‌شده با Cas9 هنوز اثربخشی در مقیاس را اثبات نکرده‌اند، نتایج اولیه نشان می‌دهد پایدارند و در انسان واکنش نامطلوب ناگهانی ایجاد نمی‌کنند. ایمنی بلندمدت هنوز مشخص نیست. کاربردهای فعلی عمدتاً بر اختلال تک‌ژنی تمرکز دارند تا ویرایش خارج از بدن روی سلول مناسب، مانند سلول بنیادی خون‌ساز مغز استخوان در کم‌خونی داسی‌شکل، انجام شود. کشف‌ها در مسیر توسعه سامانه‌های رسانشی‌اند که ابزار ویرایش ژن را در بدن به بافت مناسب هدف بگیرند.

نتیجه

پیشرفت فناوری ژنومیک به پیشبرد نیرومند علوم پایه ادامه می‌دهد و شاید همه مسیرها قابل‌پیش‌بینی نباشند. 10 سال پیش حتی دسترسی فوری و رایگان به حجم عظیم داده ژنوم، ترنسکریپتوم و نشان‌های کروماتین قابل‌تصور نبود، اما در 5-10 سال آینده ممکن خواهد بود و این داده‌ها هرچه بیشتر برای تک‌سلول‌ها فراهم می‌شوند. همه زیست‌شناسان، متخصصان ژنتیک و زیست‌داده‌ورزی باید برای این مجموعه‌داده‌ها آماده باشند. این مقیاس داده ژنومیک فرصت درک زیستی می‌دهد که به تحلیل محاسباتی بسیار پیچیده نیاز دارد.