Молекулярная генетика и геномика человека — важные достижения и захватывающие возможности

Захватывающие достижения молекулярной генетики за последние 50 лет и переход к геномной медицинебыло бы трудно представить в 1970-е годы. Термин «геномика» ещё не появился, инструменты и технологии, ставшие основой современной биотехнологии, находились в зачаточном состоянии, и даже метод секвенирования (определения последовательности) нескольких нуклеотидов применялся редко (создание подробной карты нашего генетического кода).

Непредсказуемые достижения

Первые шаги геномной медициныбыли связаны с открытиями DNA, меняющими парадигму: рекомбинантный метод Бойера и Коэна, работа Сэнгера по секвенированию DNA и технология Малли полимеразной цепной реакции (PCR) . Даже на этом фоне концепция «большой науки» для секвенирования человеческого генома казалась радикальной.

В 1987 году New York Times назвала Проект генома человека, крупнейшим, самым дорогим и самым провокационным биомедицинским исследовательским проектом в истории. Но между началом проекта в 1990 году и завершением в 2003 году геномные технологии кардинально развились.

Объём секвенирования DNA вырос с 1000 пар оснований в сутки до более 1000 пар в секунду, открыв путь дешёвым методам секвенирования и включению геномных достижений в обычную медицинскую помощь. Геномные исследования расширились от стремления понять основу человеческого генетического кода до объяснения того, как он различается у людей, и последующего применения этих знаний к вмешательствам, точно нацеленным на первопричины болезней.

DNA имеет напоминающую лестницу двойную спираль и состоит из 4 видов нуклеотидов (аденин, тимин, цитозин и гуанин). Наш генетический код DNA можно представить как язык из 4 букв. DNA сообщает клеткам, что делать. Человеческая DNA состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов, и около %2 спирали отвечает за производство белков — основных строительных элементов клеток; эти значимые участки DNA называются генами. В нашей DNA около 20 тысяч генов, а их совокупность называется геномом.

Геномные достижения изменили природу медицины

Развитие геномных инструментов и наборов данных изменило природу медицинских открытий, позволив учёным совершать масштабные мощные открытия вместо ограничения проверкой гипотез, сосредоточенных на кандидатных путях. После завершения первого эталонного секвенирования человеческого генома внимание переключилось с изучения генов на выяснение функций генов . Систематическое генетическое картирование семей и популяций помогло учёным точно локализовать генетические изменения, вызывающие заболевания человека. Благодаря Проекту генома человека медицина после 2000 года словно была переписана заново.

Влияние очень глубоко. Открытие более 5000 генов, ответственных за редкие менделевские (наследственные) заболевания, облегчает генетическую диагностику многих пациентов, консультирование при беременности, новые лекарственные методы и в некоторых случаях генную терапию.

Выявление более 100,000 надёжных связей между геномными областями и распространёнными болезнями показало новые биологические механизмы: роль микроглии при болезни Альцгеймера, аутофагии при воспалительных заболеваниях кишечника, синаптического прунинга при шизофрении. Это также позволило разработать полигенные оценки риска для выявления пациентов высокого риска сердечно-сосудистых заболеваний, рака молочной железы и других состояний, хотя необходимы дополнительные строгие проверки, включающие оценку клинических результатов.

Исследования генома рака раскрыли сотни генов с соматическими (ненаследственными) мутациями, способствующими возникновению и росту опухоли. Эти знания ускорили разработку новых лекарств, которые мы называем таргетными препаратами против генетических мишеней в онкологии.

Геномные анализы (генетические тесты) при раке также помогают объяснять, почему одни люди отвечают на определённые методы лечения или выживают при определённых инфекциях, а другие — нет.

Важные вехи молекулярной генетики и геномики человека — краткая история

Сокращения: Cas9: CRISPR-ассоциированный белок 9 / CRISPR: кластерные регулярно разделённые короткие палиндромные повторы / ИГП: Проект генома человека / NIH: Национальные институты здоровья США

• 1973 — Герберт Бойер и Стэнли Коэн разработали технологию рекомбинантной DNA.
• 1977 — Уолтер Гилберт и Фредик Сэнгер открыли методы секвенирования DNA.
• 1983 — Кэри Маллис изобрёл применение полимеразной цепной реакции (PCR).
  Джеймс Гузелла и Нэнси Векслер молекулярно картировали первый связанный с болезнью ген на человеческой хромосоме.
• 1986 — Лерой Худ изобрёл автоматический секвенатор DNA.
• 1990 — NIH и Министерство энергетики запускают Проект генома человека (ИГП).
• 1994 — Достигнуты цели ИГП по генетическому картированию человека. 
• 1995 — Достигнуты цели ИГП по генетическому картированию человека.
• 1996 — ИГП начинает проверять стратегии масштабного секвенирования человеческого генома.
• 1997 — В рамках будущих «Бермудских принципов» исследователи ИГП одобрили быстрое открытое опубликование данных геномной последовательности без ограничений использования.
• 2001 — Международный консорциум ИГП публикует первый черновик человеческого генома; группа Дж. Крейга Вентера в Celera Genomics публикует другую версию последовательности.
• 2002 — Начинается международный проект HapMap по сбору данных о генетических вариациях человека, которые помогут ускорить выявление генов, связанных с распространёнными болезнями.
• 2003 — ИГП завершается на два года раньше плана, создавая эталонную последовательность человеческого генома.
• 2006 — NIH запускает Атлас генома рака (TCGA), чтобы молекулярно охарактеризовать 33 вида рака на более чем 20,000 образцов.
• 2008 — В США принят Закон о недискриминации по генетической информации для защиты от дискриминационного использования генетических данных в страховании здоровья и трудоустройстве.
• 2009 — Впервые в клинике исследователи Висконсина секвенируют все гены 5-летнего мальчика и используют данные для точного определения новой болезни, что приводит к спасающему жизнь лечению.
• 2012 — Консорциум «Наследственность и здоровье человека в Африке» (H3Afrika) проводит первое собрание в Аддис-Абебе, Эфиопия.
• Эмануэлла Шарпантье и Дженнифер Дудна показывают, что CRISPR может редактировать DNA in vitro (это принесёт им в 2020 году Нобелевскую премию мира по химии); примерно через 6 месяцев Фэн Чжан и Джордж Чёрч независимо демонстрируют редактирование CRISPR в клетках млекопитающих.
• 2018 — TCGA публикует Панраковый атлас — подборку межраковых анализов на основе полного набора данных.
  NIH начинает набор в исследовательскую программу «Все мы (All of Us)» — крупномасштабный ресурс с более чем 1 миллионом участников, предоставляющих генетические, медицинские и экологические данные.
• 2020 — Первый пациент с серповидноклеточной анемией получает лечение CRISPR – Cas9 посредством подхода ex vivo.

Исследователи сосредоточились на экспрессии генов

В последнее время генетические исследования вышли за пределы анализа вариаций DNA, сосредоточившись на моделях экспрессии генов в отдельных клетках благодаря новым методам секвенирования одноклеточной RNA и анализа хроматина. На пути к полному клеточному атласу тела человека уже охарактеризованы десятки миллионов клеток. Эта работа выявляет сотни новых типов клеток и характеризует различия клеточных типов между здоровыми людьми и людьми с разными болезнями.

Стоимость полного секвенирования генома, составлявшая при Проекте генома человека 3 миллиарда долларов, сегодня снизилась до 600 долларов. Растут усилия по созданию масштабных биобанков полного секвенирования и фенотипической информации сотен тысяч людей. Примеры включают Британский биобанк и американскую «Все мы (All of Us)» исследовательскую программу. Конечная цель — системы здравоохранения, объединяющие медицинские записи и геномную информацию.

• Связанная тема: Что такое секвенирование всего экзома и анализ последовательности генома?

Нам предстоит долгий путь

Для понимания генетических различий человека и генетических основ болезней ещё предстоит много работы.

Несмотря на обещание понять биологические и медицинские различия посредством изучения людей с разной историей заболеваний, и исследователи, и участники геномных исследований в основном европейского происхождения. Этот недостаток разнообразия мешает понимать собственную биологию, усугубляет уже неприемлемое неравенство здоровья и ставит вопрос, одинаково ли полезны всем популяциям полигенные оценки риска, диагностика и лекарства, созданные геномными исследованиями.

Исследования людей с разным семейным происхождением выявили:

• геномные вариации в риске болезней,
• ответе на лекарства и
• диагностической точности клинических подходов, направляемых геномными исследованиями, на уровне популяций — различия

Примеры

Специфичные для африканского происхождения варианты APOL1 защищают от африканской сонной болезни, но повышают риск почечной недостаточности: на них приходится около %70 случаев недиабетической почечной недостаточности у людей африканского происхождения в США.

Присутствующий примерно у половины коренных американцев и редкий у людей европейского или африканского происхождения гаплотип SLC16A11 риска диабета типа 2 объясняет повышенную частоту диабета типа 2 у мексиканских американцев по сравнению с американцами европейского происхождения примерно на %20.

Геномные исследования также показывают, что мутации потери функции PCSK9 чаще встречаются у людей африканского происхождения, чем в других популяциях; такие мутации снижают холестерин и риск сердечных болезней.

Проводится несколько инициатив для увеличения участия исследователей и участников из прежде недостаточно представленных популяций. В Африке инициатива «Наследственность и здоровье человека» создала, например, общеафриканский консорциум лабораторий, предоставивший доступ к геномным технологиям более 500 африканским учёным; включила более 60.000 участников исследований и создала биоинформатическую сеть и три региональных биорепозитория.

Цель: технологии редактирования генов

Благодаря геномному секвенированию генетические болезни теперь диагностируют гораздо быстрее. Но разработка и подтверждение лечения труднее. Для некоторых менделевских нарушений молекулярно-таргетные препараты разработаны на основе подробного понимания патологии. Ген CFTRбыл открыт в 1989 году, и работа на этой основе позволяет предлагать безопасные эффективные молекулярно-таргетные препараты %90 людей с муковисцидозом. Однако такой подход может занимать десятилетия и плохо масштабируется на тысячи генетических нарушений, точная молекулярная причина которых неизвестна.

Стратегия эффективного лечения непосредственно против гена могла бы принести значительные достижения. После лет взлётов и падений появляются важные успехи генной терапии, например при спинальной мышечной атрофии и гемофилии. Темп исследований в будущем может значительно возрасти: точно нацеленные редактирования генов технологии уже открывают новые пути терапии.

Измените настройки для просмотра внешнего контента

Измените настройки для просмотра внешнего контента

Нобелевская премия по химии 2020

За последние более чем 8 лет CRISPR – Cas9 (кластерные регулярно разделённые короткие палиндромные повторы — CRISPR-ассоциированный белок 9) возникли как доступные гибкие технологии изучения и изменения геномов. CRISPR – Cas9 создаёт специфичные для участка запускающие восстановление DNA целевые фрагменты DNA, чтобы редактировать геном . В форматах следующего поколения также можно контролировать транскрипционные выходы генов или менять геномные последовательности посредством редактирования нуклеотидных оснований без необходимости восстановления фрагментов DNA. По мере созревания этих технологий эффективное точное изменение клеточных геномов будет становиться всё более возможным.

Технология CRISPR за уже принесённые достижения и потенциал изменения будущего удостоена Нобелевской премии по химии 2020.

Следуя непосредственно за сконструированными нуклеазами, CRISPR – Cas9 инструменты ускоряют геномные исследования, позволяя высокоэффективно редактировать или выключать почти любой ген в клетках или модельных организмах. Несколько клинических испытаний на основе CRISPR – Cas9 продолжаются или скоро начнутся. Хотя клетки, сконструированные с Cas9, ещё не доказали масштабную эффективность, ранние результаты показали их стабильность и отсутствие острых неблагоприятных реакций у человека. Долгосрочная безопасность пока не определена. Текущие применения в основном сосредоточены на моногенных нарушениях, чтобы проводить редактирование ex vivo в подходящих клетках, например кроветворных стволовых клетках костного мозга при серповидноклеточной анемии. Разрабатываются системы доставки, способные направлять инструменты редактирования in vivo в нужную ткань.

Вывод

Достижения геномных технологий продолжат мощно продвигать фундаментальную науку путями, не все из которых предсказуемы. Если ещё 10 лет назад трудно было представить мгновенный бесплатный доступ к огромным данным о геномах, транскриптомах и метках хроматина, в ближайшие 5-10 лет это станет возможно; всё чаще данные будут доступны для отдельных клеток. Всем биологам, генетикам и биоинформатикам нужно подготовиться к таким наборам. Геномные данные такого масштаба откроют возможности биологического понимания, требующего крайне сложного вычислительного анализа.