Genetica moleculară și genomica umană – Progrese importante și posibilități captivante

Progresele uluitoare în genetica moleculară din ultimii 50 de ani și trecerea la medicina genomică ar fi fost greu de imaginat în anii 1970. Termenul genomică încă nu fusese inventat, instrumentele și tehnologiile care stau la baza biotehnologiei moderne erau la început, iar chiar și pentru câteva nucleotide, secvențierea (determinarea secvenței) era o metodă rar aplicabilă (realizarea hărții detaliate a codului nostru genetic).

Progrese imposibil de prevăzut

Primii pași ai medicinei genomice au fost descoperiri legate de ADN care au schimbat paradigma, precum metoda recombinantă a lui Boyer și Cohen, cercetările lui Sanger despre secvențierea ADN și tehnologia lui Mulli de reacție în lanț a polimerazei (PCR) . Chiar și pe acest fundal, conceptul de „știință de mare anvergură” pentru efortul de secvențiere a genomului uman părea radical.

În 1987, în revista New York Times, Proiectul Genomului Uman a fost descris ca cel mai mare, mai costisitor și mai provocator proiect de cercetare biomedicală din istorie. Dar între anul începerii proiectului, 1990, și anul încheierii, 2003, tehnologia genomică a evoluat spectaculos.

Volumul secvențierii ADN a crescut de la 1000 de perechi de baze pe zi la peste 1000 de perechi de baze pe secundă, deschizând calea tehnicilor ieftine de secvențiere care permit progrese genomice integrate în tratamentul medical de rutină. Cercetarea genomică s-a extins de la căutarea înțelegerii fundamentelor codului genetic uman la explicarea modurilor în care acest cod diferă între oameni și apoi la aplicarea acestor informații în intervenții adaptate pentru a viza cu precizie cauzele bolilor.

ADN are o structură asemănătoare unei scări, cu două catene și 4 tipuri de nucleotide (adenină, timină, citozină și guanină). Astfel, ADN, codul nostru genetic, poate fi privit ca o limbă cu 4 litere. ADN oferă celulelor instrucțiuni despre ce trebuie să facă. ADN uman cuprinde 3 miliarde de perechi de nucleotide, iar aproximativ 2% din helixul ADN răspunde de producerea proteinelor, componentele de bază ale celulelor; aceste secțiuni semnificative ale ADN se numesc gene. ADN nostru conține aproximativ 20 de mii de gene, iar ansamblul tuturor genelor mele se numește genom.

Progresele genomice au schimbat natura medicinei

Dezvoltarea instrumentelor genomice și a seturilor de date a schimbat natura descoperirii medicale, permițând oamenilor de știință să facă descoperiri ample și solide în loc să se limiteze la testarea ipotezelor axate pe căi candidate. Odată încheiată prima resursă de secvențiere a genomului uman, atenția a trecut de la cercetarea genelor la descoperirea funcțiilor genelor. Cartografierea genetică sistematică în familii și populații a ajutat cercetătorii să localizeze precis modificările genetice care provoacă boli umane. Ca rezultat al Proiectului Genomului Uman, medicina de după 2000 a fost practic rescrisă.

Efectele sunt profunde. Descoperirea a peste 5000 de gene responsabile de boli mendeliene rare (un tip de afecțiune ereditară) facilitează diagnosticul genetic pentru numeroși pacienți, consilierea legată de sarcină, noi tratamente medicamentoase și, în unele cazuri, terapii genice.

Descoperirea a peste 100000 de asocieri puternice între regiuni genomice și boli frecvente a dezvăluit mecanisme biologice noi, precum rolul microgliei în boala Alzheimer, al autofagiei în bolile inflamatorii intestinale și al eliminării sinapselor în schizofrenie. De asemenea, a permis dezvoltarea scorurilor de risc poligenic pentru identificarea pacienților cu risc crescut de boli cardiovasculare, cancer mamar și alte afecțiuni, deși sunt necesare teste riguroase suplimentare ale unor asemenea boli, inclusiv evaluarea rezultatelor clinice.

Studiile genomului cancerului au evidențiat sute de gene implicate în mutații somatice (neereditare) care favorizează inițierea și creșterea tumorilor; aceste cunoștințe au stimulat dezvoltarea unor medicamente noi (în oncologie le numim medicamente inteligente îndreptate către ținte genetice).

Analizele genomice (testele genetice) în cancer ajută și la explicarea motivului pentru care unele persoane răspund anumitor tratamente ori supraviețuiesc anumitor infecții, iar altele nu.

Repere în genetica moleculară și genomica umană – Scurt istoric

Abrevieri: Cas9: proteină asociată CRISPR 9 / CRISPR: grupuri de repetări palindromice separate la intervale regulate / PGU: Proiectul Genomului Uman / NIH: Institutul Național de Sănătate din SUA

• 1973 – Herbert Boyer și Stanley Cohen dezvoltă tehnologia ADN recombinant.
• 1977 – Walter Gilbert și Fredick Sanger descoperă tehnici de secvențiere a ADN.
• 1983 – Kary Mullis inventează aplicarea reacției în lanț a polimerazei (PCR).
  Prima genă asociată unei boli este cartografiată molecular pe un cromozom uman de James Gusella și Nancy Wexler.
• 1986 – Leroy Hood inventează secvențiatorul automatizat de ADN.
• 1990 – NIH și Departamentul Energiei lansează Proiectul Genomului Uman (PGU).
• 1994 – Sunt atinse obiectivele PGU de cartografiere a geneticii umane. 
• 1995 – Sunt atinse obiectivele PGU de cartografiere a geneticii umane.
• 1996 – PGU începe testarea strategiilor pentru secvențierea genomului uman la scară largă.
• 1997 – În ceea ce se va numi „Principiile Bermuda”, cercetătorii PGU aprobă publicarea rapidă și publică a datelor secvenței genomului, fără restricții de utilizare.
• 2001 – Consorțiul internațional PGU publică prima versiune preliminară a secvenței genomului uman; grupul lui J. Craig Venter din Asociația de Genomică Celera publică o altă versiune a secvenței.
• 2002 – Este lansat Proiectul Internațional HapMap pentru a colecta date despre variațiile genetice umane care pot accelera identificarea genelor asociate bolilor frecvente.
• 2003 – PGU se încheie cu doi ani mai devreme decât era planificat, producând o secvență de referință a genomului uman.
• 2006 – NIH lansează Atlasul Genomului Cancerului (TCGA) pentru caracterizarea moleculară a peste 20000 de probe din 33 de tipuri de cancer.
• 2008 – Este adoptată Legea SUA privind nediscriminarea pe baza informației genetice, pentru protecție împotriva folosirii discriminatorii a informațiilor genetice în asigurările de sănătate și angajare.
• 2009 – Într-o premieră clinică, cercetătorii din Wisconsin secvențiază toate genele unui băiat de 5 ani și folosesc datele pentru a localiza precis o boală nouă, ceea ce duce la un tratament salvator.
• 2012 – Consorțiul Ereditate și Sănătate Umană în Africa (H3Africa) își ține reuniunea inaugurală la Addis Ababa, Etiopia.
• Emanuella Charpentier și Jennifer Doudna arată că CRISPR poate edita ADN in vitro (ceea ce le aduce Premiul Nobel pentru Pace în domeniul Chimiei în 2020); aproximativ 6 luni mai târziu, Feng Zhang și George Church demonstrează independent editarea CRISPR în celule de mamifere.
• 2018 – TCGA publică Atlasul Pan-Cancer, o colecție de analize între tipuri de cancer bazate pe întregul set de date.
  NIH începe înscrierile în programul de cercetare „Noi toți (All of Us)”, o resursă amplă de cercetare cu peste 1 milion de participanți care vor contribui cu date genetice, medicale și de mediu.
• 2020 – Primul pacient cu anemie falciformă este tratat printr-o abordare ex vivo folosind CRISPR – Cas9.

Cercetătorii s-au concentrat asupra expresiei genice

Recent, cercetarea genetică s-a orientat dincolo de analiza variațiilor (diferențelor) ADN, către studierea modelelor de expresie genică din celule individuale, pas facilitat de metode noi de secvențiere ARN unicelulară și analiză a cromatinei. Până acum au fost caracterizate zeci de milioane de celule pe drumul către un atlas celular complet al corpului uman. Acest efort dezvăluie sute de tipuri noi de celule și caracterizează modurile în care tipurile celulare diferă între persoanele cu diverse boli și cele sănătoase.

Costul secvențierii unui genom complet a scăzut de la 3 miliarde de dolari în timpul Proiectului Genomului Uman la 600 de dolari astăzi, iar eforturile de creare a unor biobănci ample de secvențiere a genomului complet și a informațiilor fenotipice de la sute de mii de oameni cresc. Exemplele includ Biobanca Regatului Unit și programul de cercetare din SUA „Noi toți (All of Us)”. Obiectivul final îl reprezintă sistemele de îngrijire medicală care să combine dosarele medicale cu informațiile genomice.

• Subiect asociat: Ce sunt secvențierea întregului exom și analiza secvenței genomice?

Mai avem mult de parcurs

Mai sunt multe de făcut pentru a înțelege diferențele genetice umane și bazele genetice ale bolilor.

În ciuda promisiunii de a înțelege biologia și diferențele de sănătate prin studierea persoanelor cu diverse istorii de boală, atât cercetătorii, cât și participanții la cercetarea genomică au în mare parte ascendență europeană. Această lipsă de diversitate ne împiedică să ne înțelegem biologia, agravează disparitățile de sănătate deja inacceptabile și ridică întrebarea dacă scorurile de risc poligenic, diagnosticele și medicamentele rezultate din cercetarea genomică vor aduce beneficii egale tuturor populațiilor.

Studiile asupra persoanelor cu origini familiale diferite au evidențiat:

• riscul de îmbolnăvire legat de variațiile genomice,
• răspunsurile la medicamente și
• la nivel de populație, în precizia diagnostică a abordărilor clinice orientate de cercetarea genomică, diferențe

Exemple

Varianta APOL1 specifică ascendenței africane protejează împotriva bolii somnului africane, dar crește riscul de insuficiență renală: aceste variante explică aproximativ 70% din cazurile de insuficiență renală nediabetică la persoanele de origine africană din Statele Unite.

Un haplotip de risc pentru diabetul de tip 2 din SLC16A11, prezent la aproximativ jumătate dintre amerindieni și rar la persoanele de origine europeană ori africană, explică aproximativ 20% din frecvența crescută a diabetului de tip 2 la americanii de origine mexicană față de americanii de origine europeană.

Cercetările genomice arată și că mutațiile cu pierdere de funcție ale PCSK9 sunt mai frecvente la persoanele de origine africană decât în alte populații; aceste mutații reduc colesterolul și riscul bolilor cardiace.

Sunt în desfășurare mai multe inițiative menite să crească participarea cercetătorilor și a participanților din populații anterior insuficient reprezentate. De exemplu, inițiativa africană Ereditate și Sănătate Umană a dezvoltat un consorțiu de laboratoare panafricane care oferă acces la tehnologii genomice pentru peste 500 de oameni de știință africani; au fost înscriși peste 60000 de participanți la cercetare și au fost create o rețea de bioinformatică și trei biodepozite regionale.

Obiectiv: tehnologiile de editare genică

Diagnosticul bolilor genetice este acum stabilit mult mai rapid datorită tehnologiei de secvențiere genomică. Dar dezvoltarea și validarea tratamentelor sunt mai dificile. Pentru unele tulburări mendeliene au fost dezvoltate medicamente țintite molecular prin folosirea înțelegerii detaliate a patologiei. Gena CFTR, descoperită în 1989, a stat la baza cercetărilor datorită cărora, de exemplu, medicamente sigure și eficiente, țintite molecular, pot fi recomandate pentru 90% dintre persoanele cu fibroză chistică. Dar această abordare poate dura decenii și nu se extinde bine la miile de tulburări genetice a căror cauză moleculară exactă nu este cunoscută.

O strategie care ar permite tratamente eficiente îndreptate direct către genă ar putea aduce progrese importante. După ani cu suișuri și coborâșuri, apar câteva succese importante ale terapiei genice, precum în atrofia musculară spinală și hemofilie. Ritmul acestei cercetări ar putea crește considerabil; tehnologiile precise de editare genică oferă acum noi căi către terapii.

Gestionează preferințele pentru a vedea conținutul extern

Gestionează preferințele pentru a vedea conținutul extern

Premiul Nobel pentru Chimie 2020

În ultimii peste 8 ani, tehnologiile CRISPR – Cas9 (grupuri de repetări palindromice separate la intervale regulate – proteină asociată CRISPR 9) au apărut ca instrumente adaptabile și accesibile pentru studierea și modificarea genomurilor. CRISPR – Cas9 poate fi folosit pentru declanșarea reparării ADN prin crearea unor fragmente ADN țintite, pentru a edita genomul. În formatele generațiilor viitoare, poate controla și rezultatele transcripționale ale genelor ori modifica secvențele genomice prin editarea unei baze nucleotidice, care nu necesită repararea fragmentelor ADN. Pe măsură ce aceste tehnologii continuă să se maturizeze, modificarea eficientă și exactă a genomurilor celulare va deveni tot mai posibilă.

Tehnologia CRISPR, atât prin realizările sale de până acum, cât și prin potențialul de a schimba viitorul, a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru Chimie 2020.

Urmând imediat după nucleazele proiectate, instrumentele CRISPR – Cas9 accelerează cercetarea genomică, permițând editarea sau inactivarea foarte eficientă a aproape oricărei gene în celule sau organisme-model. Sunt în desfășurare mai multe studii clinice bazate pe CRISPR – Cas9 sau se așteaptă începerea lor în curând. Deși celulele proiectate cu Cas9 nu și-au demonstrat încă eficacitatea la scară, rezultatele timpurii arată că asemenea celule sunt stabile și nu provoacă reacții adverse bruște la om. Siguranța pe termen lung nu a fost încă stabilită. Aplicațiile actuale vizează în mare parte tulburările monogenice, pentru a realiza editări genice ex vivo în celule adecvate, precum celulele stem hematopoietice din măduva osoasă în anemia falciformă. Descoperirile urmăresc dezvoltarea unor sisteme de livrare care să țintească in vivo instrumentul de editare genică către țesutul potrivit.

Concluzie

Progresele tehnologiei genomice vor continua să împingă știința fundamentală pe direcții puternice, nu toate previzibile. Dacă acum 10 ani nici nu puteam imagina accesul instantaneu și gratuit la volume uriașe de date despre genomuri, transcriptomuri și marcaje ale cromatinei, în următorii 5-10 ani acest lucru va fi posibil – iar aceste date vor deveni tot mai disponibile pentru celule individuale. Toți biologii, geneticienii și bioinformaticienii vor trebui să fie pregătiți pentru asemenea seturi de date. Datele genomice la această scară vor oferi oportunități de înțelegere biologică ce necesită analize computaționale foarte complexe.