ადამიანის მოლეკულური გენეტიკა და გენომიკა – მნიშვნელოვანი პროგრესი და ამაღელვებელი შესაძლებლობები

ბოლო 50 წლის მოლეკულური გენეტიკის სუნთქვისშემკვრელი პროგრესი და გენომურ მედიცინაზე გადასვლა1970-იან წლებში რთული წარმოსადგენი იქნებოდა. ტერმინი გენომიკა ჯერ არ არსებობდა, თანამედროვე ბიოტექნოლოგიის ინსტრუმენტები საწყის ეტაპზე იყო და რამდენიმე ნუკლეოტიდის სეკვენირების მეთოდიც იშვიათად გამოიყენებოდა (გენეტიკური კოდის დეტალური რუკის შედგენა).

წარმოუდგენელი განვითარება

გენომური მედიცინის პირველი ნაბიჯებიDNA-სთან დაკავშირებული პარადიგმის შემცვლელი აღმოჩენები იყო: ბოიერისა და კოენის რეკომბინანტული მეთოდი, სენგერის DNA სეკვენირება და მულისის პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქციის (PCR) ტექნოლოგია. ამ ფონზეც ადამიანის გენომის სეკვენირების „დიდი მეცნიერების“ კონცეფცია რადიკალური ჩანდა.

1987 წელს New York Times -ში ადამიანის გენომის პროექტი, ისტორიის უდიდეს, უძვირეს და ყველაზე პროვოკაციულ ბიომედიცინურ პროექტად შეფასდა. თუმცა დაწყების 1990 წლიდან დასრულების 2003 წლამდე გენომური ტექნოლოგია მკვეთრად განვითარდა.

DNA-ის სეკვენირება დღეში 1000 ფუძის წყვილიდან წამში 1000-ზე მეტ წყვილამდე გაიზარდა და დაბალფასიანი ტექნიკების კარი გახსნა რუტინულ მედიცინაში გენომური მიღწევებისთვის. კვლევა გაფართოვდა ადამიანის კოდის საფუძვლის გაგებიდან ადამიანებს შორის მისი განსხვავებების ახსნამდე და ცოდნის გამოყენებამდე ჩარევებში, რომლებიც დაავადებების მიზეზებს ზუსტად უმიზნებს.

DNA კიბის მსგავსი ორმაგი სპირალია 4 ტიპის ნუკლეოტიდით (ადენინი, თიმინი, ციტოზინი, გუანინი). გენეტიკური კოდი შეიძლება 4-ასოიან ენად წარმოვიდგინოთ. ის უჯრედებს მოქმედების ინსტრუქციას აძლევს. ადამიანის DNA 3 მილიარდი ნუკლეოტიდური წყვილისგან შედგება და სპირალის დაახლოებით %2 უჯრედების საშენი ცილების წარმოებაზეა პასუხისმგებელი; ამ მონაკვეთებს გენები ეწოდება. დაახლოებით 20 ათასი გენი გვაქვს და ერთობლიობას გენომი ჰქვია.

გენომურმა პროგრესმა მედიცინის ბუნება შეცვალა

ინსტრუმენტებისა და მონაცემების განვითარებამ აღმოჩენის ბუნება შეცვალა: კანდიდატ გზებზე ჰიპოთეზების შემოწმებით შეზღუდვის ნაცვლად მეცნიერებს ფართო, ძლიერ აღმოჩენებში გადასვლის საშუალება მისცა. ადამიანის პირველი გენომური რესურსის დასრულებით ყურადღება გენების ძიებიდან მათი ფუნქციების აღმოჩენაზე გადავიდა. ოჯახებსა და საზოგადოებებში სისტემურმა რუკირებამ მეცნიერებს ადამიანის დაავადებების გამომწვევი ცვლილებების ზუსტი ადგილის დადგენაშიდაეხმარა. პროექტის შედეგად 2000 წლის შემდგომი მედიცინა თითქოს თავიდან დაიწერა.

გავლენა ღრმაა. იშვიათ მენდელურ (მემკვიდრეობით) დაავადებებზე პასუხისმგებელი 5000-ზე მეტი გენის აღმოჩენა ბევრ პაციენტში გენეტიკურ დიაგნოზს, ორსულობის კონსულტაციას, ახალ წამლებსა და ზოგჯერ გენურ თერაპიას აადვილებს.

გენომურ რეგიონებსა და გავრცელებულ დაავადებებს შორის 100,000-ზე მეტი ძლიერი კავშირი ახალი ბიოლოგიური მექანიზმების მაჩვენებელია: მიკროგლია ალცჰაიმერში, ავტოფაგია ნაწლავის ანთებით დაავადებაში, სინაფსური გაკრეჭა შიზოფრენიაში. შესაძლებელი გახდა პოლიგენური რისკის ქულებიც გულ-სისხლძარღვთა, ძუძუს კიბოსა და სხვა მდგომარეობების მაღალი რისკის მქონეთა გამოსავლენად, თუმცა კლინიკური შედეგების ჩათვლით მკაცრი დამატებითი შემოწმება საჭიროა.

კიბოს გენომის კვლევებმა გამოავლინა ასობით გენი სიმსივნის დაწყებისა და ზრდის ხელშემწყობ სომატურ (არამემკვიდრეობით) მუტაციებში. ამან ახალი წამლების შექმნა დააჩქარა — მათ ონკოლოგიაში გენეტიკურ სამიზნეებზე მიმართულ ჭკვიან წამლებს ვუწოდებთ.

კიბოს გენომური ანალიზები (გენეტიკური ტესტები) იმასაც ხსნის, რატომ პასუხობს ზოგი გარკვეულ მკურნალობას ან გადაურჩება ინფექციას, სხვები კი ვერა.

ადამიანის მოლეკულური გენეტიკისა და გენომიკის მნიშვნელოვანი ეტაპები — მოკლე ისტორია

შემოკლებები: Cas9: CRISPR-თან დაკავშირებული ცილა 9 / CRISPR: რეგულარულად დაშორებული პალინდრომული განმეორებების ჯგუფები / İGP: ადამიანის გენომის პროექტი / NIH: აშშ-ის ჯანმრთელობის ეროვნული ინსტიტუტი

• 1973 – ჰერბერტ ბოიერმა და სტენლი კოენმა რეკომბინანტული DNA ტექნოლოგია შექმნეს.
• 1977 – უოლტერ გილბერტმა და ფრედიკ სენგერმა DNA სეკვენირების ტექნიკები აღმოაჩინეს.
• 1983 – კერი მულისმა პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია (PCR) გამოიგონა.
  ჯეიმზ გუსელამ და ნენსი ვექსლერმა პირველი დაავადებასთან დაკავშირებული გენი მოლეკულურად ადამიანის ქრომოსომას მიაბეს.
• 1986 – ლეროი ჰუდმა ავტომატური DNA სეკვენატორი გამოიგონა.
• 1990 – NIH და ენერგეტიკის დეპარტამენტი ადამიანის გენომის პროექტს (İGP) იწყებს.
• 1994 – İGP-ის ადამიანის გენეტიკური რუკირების მიზნები მიღწეულია. 
• 1995 – İGP-ის ადამიანის გენეტიკური რუკირების მიზნები მიღწეულია.
• 1996 – İGP ადამიანის გენომის ფართომასშტაბიანი სეკვენირების სტრატეგიების გამოცდას იწყებს.
• 1997 – „ბერმუდის პრინციპებში“ მკვლევრებმა მონაცემების სწრაფი საჯარო გამოქვეყნება გამოყენების შეზღუდვის გარეშე დაამტკიცეს.
• 2001 – İGP-ის საერთაშორისო კონსორციუმი პირველ გენომურ მონახაზს აქვეყნებს; J. კრეიგ ვენტერის Celera Genomics-ის ჯგუფი სხვა ვერსიას აქვეყნებს.
• 2002 – საერთაშორისო HapMap იწყებს ვარიაციების მონაცემების შეგროვებას გავრცელებულ დაავადებებთან დაკავშირებული გენების სწრაფი იდენტიფიკაციისთვის.
• 2003 – İGP საცნობარო გენომური თანმიმდევრობის შექმნით გეგმით გათვალისწინებულზე ორი წლით ადრე სრულდება.
• 2006 – NIH იწყებს კიბოს გენომის ატლასს (TCGA), რათა 33 კიბოს ტიპის 20,000-ზე მეტი ნიმუში მოლეკულურად დაახასიათოს.
• 2008 – აშშ გენეტიკური ინფორმაციის დისკრიმინაციის საწინააღმდეგო კანონს იღებს დაზღვევასა და დასაქმებაში დაცვისთვის.
• 2009 – კლინიკური პირველობა: ვისკონსინის მკვლევრები 5 წლის ბიჭის ყველა გენს სეკვენირებს და მონაცემებით ახალ დაავადებას ზუსტად ადგენს, რაც სიცოცხლის გადამრჩენ მკურნალობას იძლევა.
• 2012 – აფრიკაში ადამიანის მემკვიდრეობითობისა და ჯანმრთელობის (H3Africa) კონსორციუმი პირველ შეხვედრას ეთიოპიის ადის-აბებაში მართავს.
• ემანუელა შარპენტიე და ჯენიფერ დუდნა აჩვენებს CRISPR-ით DNA-ის in vitro რედაქტირებას (რისთვისაც 2020 წლის ქიმიის ნობელის მშვიდობის პრემია მიიღეს); დაახლოებით 6 თვის შემდეგ ფენგ ჟანგი და ჯორჯ ჩერჩი დამოუკიდებლად ადასტურებს ძუძუმწოვრის უჯრედებში რედაქტირებას.
• 2018 – TCGA აქვეყნებს პან-კიბოს ატლასს, მთელი მონაცემების საფუძველზე კიბოთა შორის ანალიზების კრებულს.
  NIH იწყებს „ყველა ჩვენგანი (All of Us)“ პროგრამაში ჩართვას, 1 მილიონზე მეტი მონაწილის ფართომასშტაბიან რესურსს გენეტიკური, ჯანმრთელობისა და გარემოს მონაცემებისთვის.
• 2020 – ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემიის პირველი პაციენტი CRISPR – Cas9-ით ex vivo მიდგომით მკურნალობს.

მკვლევრები გენების ექსპრესიაზე კონცენტრირდნენ

ბოლო პერიოდში ყურადღება DNA ვარიაციების ანალიზს გასცდა და ცალკეულ უჯრედებში გენების ექსპრესიის მოდელების შესწავლაზე გადავიდა, რასაც ერთუჯრედიანი RNA სეკვენირებისა და ქრომატინის ახალი მეთოდები მართავს. ადამიანის სრული უჯრედული ატლასისკენ ათობით მილიონი უჯრედი დახასიათდა. ეს ასობით ახალ ტიპს ავლენს და დაავადებულებსა და ჯანმრთელებს შორის უჯრედთა განსხვავებას აღწერს.

სრული გენომის ფასი პროექტის დროს 3 მილიარდი დოლარიდან დღეს 600 დოლარამდე დაეცა; იზრდება ფართომასშტაბიანი გენომური ბიობანკებისა და ასობით ათასი ადამიანის ფენოტიპური მონაცემების შექმნის მცდელობა. მაგალითებია ბრიტანეთის ბიობანკი და აშშ-ის „ყველა ჩვენგანი (All of Us)“ კვლევითი პროგრამა. საბოლოო სამიზნეა ჯანდაცვის სისტემები, რომლებიც სამედიცინო ჩანაწერებსა და გენომურ ინფორმაციას გააერთიანებს.

• დაკავშირებული თემა: რა არის სრული ეგზომის სეკვენირება და გენომის თანმიმდევრობის ანალიზი?

ჯერ გრძელი გზა გვაქვს

ადამიანის გენეტიკური განსხვავებებისა და დაავადებების გენეტიკური საფუძვლის გასაგებად კიდევ ბევრი სამუშაოა.

მრავალფეროვანი ისტორიების მქონეთა კვლევის ბიოლოგიური და ჯანმრთელობის განსხვავებების გაგების დაპირების მიუხედავად, მკვლევრებიცა და მონაწილეებიც უმეტესად ევროპული წარმომავლობისაა. ეს მრავალფეროვნების ნაკლებობა საკუთარი ბიოლოგიის გაგებას უშლის ხელს, ისედაც მიუღებელ უთანასწორობას აუარესებს და კითხვას აჩენს: თანაბრად ისარგებლებს ყველა საზოგადოება პოლიგენური ქულებით, დიაგნოზებითა და წამლებით?

სხვადასხვა ოჯახური წარმომავლობის კვლევებმა გამოავლინა:

• გენომური ვარიაციების, დაავადების რისკის,
• წამლებზე პასუხისა და
• გენომიკით მართული მიდგომების დიაგნოსტიკური სიზუსტის პოპულაციური განსხვავებები

მაგალითები

აფრიკული წარმოშობის APOL1 ვარიანტი აფრიკული ძილის დაავადებისგან იცავს, მაგრამ თირკმლის უკმარისობის რისკს ზრდის: აშშ-ში აფრიკული წარმომავლობის პირების არადიაბეტური უკმარისობის დაახლოებით %70 ამ ვარიანტებზე მოდის.

ძირძველი ამერიკელების დაახლოებით ნახევარში არსებული და ევროპულ ან აფრიკულ წარმომავლობაში იშვიათი SLC16A11-ის ტიპი 2 დიაბეტის რისკის ჰაპლოტიპი ევროპელ ამერიკელებთან შედარებით მექსიკელ ამერიკელებში ტიპი 2 დიაბეტის მომატებული სიხშირის დაახლოებით %20-ს ხსნის.

კვლევები ასევე აჩვენებს, რომ PCSK9 ფუნქციის დაკარგვის მუტაციები აფრიკული წარმომავლობის პირებში უფრო ხშირია; ისინი ქოლესტერინსა და გულის დაავადების რისკს ამცირებს.

არასაკმარისად წარმოდგენილი საზოგადოებებიდან მკვლევრებისა და მონაწილეების გასაზრდელად რამდენიმე ინიციატივა გრძელდება. აფრიკის ადამიანის მემკვიდრეობითობისა და ჯანმრთელობის ინიციატივამ, მაგალითად, 500-ზე მეტ აფრიკელ მეცნიერს ტექნოლოგიის ხელმისაწვდომობისთვის პანაფრიკული ლაბორატორიების კონსორციუმი შექმნა; ჩართო 60.000-ზე მეტი მონაწილე და დააარსა ბიოინფორმატიკის ქსელი და სამი რეგიონული ბიორეპოზიტორია.

მიზანი: გენების რედაქტირება

გენომური სეკვენირებით დიაგნოზი ბევრად სწრაფია, მკურნალობის შექმნა და დადასტურება კი რთული. ზოგი მენდელური დარღვევისთვის მოლეკულურად მიზნობრივი წამლები პათოლოგიის დეტალური გაგებით შეიქმნა. CFTR გენის1989 წლის აღმოჩენაზე დაფუძნებული შრომით, მაგალითად, უსაფრთხო და ეფექტიანი მიზნობრივი წამლები კისტოზური ფიბროზის მქონეთა %90-ს შეიძლება შესთავაზონ. მაგრამ მიდგომას ათწლეულები სჭირდება და ათასობით დარღვევაზე კარგად ვერ ვრცელდება, რადგან ზუსტი მოლეკულური მიზეზი უცნობია.

გენის უშუალოდ სამიზნე ეფექტიანი თერაპიის სტრატეგიას დიდი მიღწევა შეეძლო. არათანაბარი წლების შემდეგ სპინალური კუნთოვანი ატროფიისა და ჰემოფილიის გენური თერაპიის წარმატებები ჩნდება. ტემპი შეიძლება მომავალში მკვეთრად გაიზარდოს; ზუსტად მიზნობრივი გენის რედაქტირების ტექნოლოგიები ახლა თერაპიის ახალ გზებს იძლევა.

გარე შინაარსის სანახავად მართეთ პარამეტრები

გარე შინაარსის სანახავად მართეთ პარამეტრები

2020 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში

ბოლო 8 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში CRISPR – Cas9 (რეგულარულად დაშორებული პალინდრომული განმეორებების ჯგუფები — CRISPR-თან დაკავშირებული ცილა 9) გენომის შესასწავლად და შესაცვლელად მოქნილ, ხელმისაწვდომ ინსტრუმენტებად იქცა. CRISPR – Cas9 კონკრეტული ადგილის DNA-ის აღდგენის გამომწვევი მიზნობრივი გაწყვეტების შექმნით გენომის რედაქტირებისთვის შეიძლება გამოიყენონ. შემდეგი თაობის ფორმატებში ის გენების ტრანსკრიფციულ გამოშვებასაც აკონტროლებს ან ნუკლეოტიდის ფუძის რედაქტირებით თანმიმდევრობას ცვლის DNA-ის გაწყვეტების აღდგენის გარეშე. ტექნოლოგიის მომწიფებით უჯრედულ გენომთა ეფექტიანი და ზუსტი შეცვლა სულ უფრო შესაძლებელი გახდება.

CRISPR ტექნოლოგია როგორც დღევანდელი მიღწევებით, ისე მომავლის შეცვლის პოტენციალით 2020 წლის ქიმიის ნობელის პრემიასდაემსახურა.

შექმნილი ნუკლეაზების კვალდაკვალ მოსული CRISPR – Cas9 ინსტრუმენტები კვლევას აჩქარებს და უჯრედსა თუ მოდელურ ორგანიზმში თითქმის ყველა გენის ეფექტიან რედაქტირებას ან გამოთიშვას იძლევა. მრავალი CRISPR – Cas9 კლინიკური ცდა მიმდინარეობს ან მალე დაიწყება. Cas9-ით შექმნილ უჯრედებს ჯერ მასშტაბური ეფექტიანობა არ დაუმტკიცებია, თუმცა ადრეული შედეგებით სტაბილურია და ადამიანში უეცარ მავნე რეაქციებს არ იწვევს. გრძელვადიანი უსაფრთხოება ჯერ უცნობია. არსებული გამოყენება ძირითადად ერთგენიან დარღვევებზეა, რათა რედაქტირება სათანადო უჯრედებში ex vivo ჩატარდეს, მაგალითად ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემიისას ძვლის ტვინის ჰემატოპოეზურ ღეროვან უჯრედებში. მუშავდება მიწოდების სისტემები, რომლებიც ინსტრუმენტს სწორ ქსოვილში in vivo მიმართავს.

დასკვნა

გენომური პროგრესი ძირითად მეცნიერებას ძლიერი, ზოგჯერ არაპროგნოზირებადი გზებით წაიყვანს. 10 წლის წინ გენომების, ტრანსკრიპტომებისა და ქრომატინის ნიშნების დიდ მონაცემებზე მყისიერ უფასო წვდომას ვერ წარმოვიდგენდით; მომდევნო 5-10 წელში ეს შესაძლებელი გახდება და სულ უფრო მეტად — ცალკეული უჯრედებისთვისაც. ყველა ბიოლოგი, გენეტიკოსი და ბიოინფორმატიკოსი მზად უნდა იყოს. ასეთი მასშტაბი ბიოლოგიური გაგების შესაძლებლობას იძლევა, რომელიც ძალიან რთულ გამოთვლით ანალიზს მოითხოვს.