hrvatski

Projekt ljudskog genoma - završetak ili novi početak?

Trideset i pet godina nakon probijanja genetičke šifre, točnije 6. travnja ove godine, objavljena je informacija da je potpuno određen slijed nukleotida (sekvencija) cijelog ljudskog genoma. Uz veliku medijsku pozornost u tehnološki razvijenim sredinama, gdje se ovo znanstveno postignuće po spektakularnosti svrstava uz bok događajima poput slijetanja astronauta na Mjesec, ova vijest simbolički odražava sav optimizam ali i neizvjesnosti i dvojbe prema znanstvenom i tehnološkom napretku na prelasku u novi milenij. Moglo bi se reći da je sve započelo davne 1856. godine u spokojnoj atmosferi samostana u Brnu gdje je redovnik Gregor Mendel postavio svoje prve pokuse križanja vrtnog graška. Rezultat višegodišnjeg rada bilo je otkriće zakonitosti po kojima se odvija prijenos nasljednih svojstava od roditelja na potomstvo. Time je postavljen temelj nove biološke discipline - genetike. Materijal u kojem je zapisana genetička informacija u živoj stanici dugo je ostao nepoznat i tek se 1944. godine došlo do prvih naznaka da je ta informacija zapisana u dugačkim lancima molekula deoksiribonukleinske kiseline (DNA). Daljnja istraživanja u tom pravcu dovela su do modela Watsona i Cricka 1953. godine po kojem je molekula DNA sastavljena iz dva komplementarna lanca povezana međusobno vodikovim mostovima dušikovih baza stvarajući tako stabilnu dvostruku uzvojnicu. Ovim je modelom objašnjeno kako je genetička informacija zapisana: DNA je heteroplimer sastavljen iz četiri različita monomera koji predstavljaju četiri slova genetičke abecede. Ti se monomeri nazivaju nukleotidi a međusobno se razlikuju po dušikovoj bazi vezanoj na 2-deoksiribozu. Te dušikove baze su adenin, timin, gvanin i citozin (ATGC). Pri staničnoj diobi, stanica-majka sintetizira novu molekulu DNA tzv. semikonzervativnom replikacijom: dvostruka uzvojnica se razdvaja u dva pojedinačna lanca i svaki stari lanac služi kao kalup za sintezu novog komplementarnog lanca. Rezultat ovog složenog procesa je nova dvostruka uzvojnica sa identičnim slijedom nukleotida tj. identičnim zapisom genetičke informacije koja se tako prenosi na stanice-kćerke nastale diobom stanice-majke. Model Watsona i Cricka izvrsno je opisao kako se genetička informacija prenosi na potomstvo, ali nije davao objašnjenje kako se ona fiziološki operacionalizira. Niz biokemijskih i genetičkih istraživanja tijekom šezdesetih godina pokazao je da je slijed nukleotida u DNA zapravo šifrirani zapis redoslijeda aminokiselina u proteinima: drugim riječima, u DNA je zapisana informacija o primarnoj građi proteina, a oni djeluju kao izvršni aparati koji obavljaju sve vitalne funkcije stanice. Ova istraživanja kulminirala su otkrićem genetičke šifre - univerzalnog koda koji redoslijed nukleotida u DNA prevodi u redoslijed aminokiselina u proteinima. Time je i pojam gen od apstraktne definicije kao jedinice naslijeđa ili hereditarnog kvanta dobio svoje fizičko i kemijsko značenje kao dio DNA čiji slijed nukleotida sadrži informaciju za jedan određeni protein. Početkom sedamdesetih godina otkriveni su restrikcijski enzimi koji cijepaju molekule DNA na specifičnim mjestima a nešto kasnije i enzim DNA-ligaza koja izrezane fragmente DNA može ponovno slijepiti. Time su sastavljeni osnovni elementi tehnike koju danas nazivamo genetičko inženjerstvo, a koja omogućava da se geni iz jedne vrste ugrađuju u drugu (tzv. rekombinacija DNA in vitro). Ova je moćna tehnika pokrenula razvoj nove biotehnologije (tehnologija rekombinantne DNA) kojom je proizvodnja bilo kojeg proteina postala trivijalna zadaća. Niz vrlo vrijednih humanih proteina za terapeutske svrhe poput inzulina, eritropoietina, hormona rasta i mnogih drugih, danas se proizvodi s pomoću bakterija ili kvasaca na ovaj način. Osim toga tehnike genetičkog inženjerstva znatno su olakšale izolaciju i umnožavanje pojedinačnih gena za njihovo daljnje proučavanje, u prvom redu za određivanje slijeda nukleotida u nekom genu (sekvencioniranje) da bi se taj slijed kasnije preveo u slijed aminokiselina u proteinu. U početku je određivanje slijeda nukleotida čak i u manjim fragmentima DNA bilo mukotrpan posao. Radi se o preciznom određivanju redoslijeda monomernih jedinica u heteropolimernom lancu. Sekvencioniranje nekog jednostavnog bakterijskog gena zahtijevalo je višemjesečni rad cijele grupe istraživača. Pri tome je korisnost cijeloga posla, po mišljenju mnogih, bila upitna jer sama primarna struktura genskog produkta (proteina) često nije nudila dodatne, biološki relevantne informacije. Međutim, višegodišnje nakupljanje podataka o primarnoj strukturi proteina, praćeno kristalografskom analizom, te biokemijskom i biološkom karakterizacijom proteina ubrzo je potvrdilo vrijednost sekvencioniranja jer se otvorila mogućnost da se već na temelju samog slijeda nukleotida u genu predvide i njegove funkcije. Ako bi se taj postupak proveo na cjelokupnom nasljednom materijalu neke stanice ili organizma (odnosno cijelom genomu) dobili bismo uvid u potpuni zapis ili program na temelju kojeg taj organizam funkcionira. Prvi uspjesi genske terapije potakli su intenzivnija istraživanja sekvencije ljudskih gena, a koncem travnja 1988 na sastanku u Cold Spring Harboru (tradicionalnom okupljalištu molekularnih biologa) začeta je ideja o formiranju internacionalnog tijela koje će koordinirati sve aktivnosti na određivanju sekvencije cjelokupnog ljudskog genoma.To tijelo je uspostavljeno na idućem sastanku u švicarskom gradiću Montreux u rujnu 1988. pod nazivom Human Genome Organization (s poznatim akronimom HUGO). Gotovo polovica od prvih 220 članova bila je iz SAD. Od velike je važnosti bila primjena američkih iskustava u organizaciji velikih znanstvenih projekata poput svemirskog (NASA) i energetskog programa (DOE). Jer radilo se o zaista grandioznom izazovu: ljudski genom, naime, nosi informaciju spakiranu u 23 kromozoma koji sadrže DNA sastavljenu iz preko tri milijarde monomernih jedinica! DNA spojena sa svih 23 kromozoma daje lančastu molekulu dulju od jednog metra, debljine dva nanometra. Korištenjem jednoslovne notacije za svaki od četiri nukleotida iz kojih je izgrađena DNA (ATGC) ispis slijeda nukleotida u genomu iznosi oko 500 tisuća stranica A4 formata. Nekoliko tisuća znanstvenika upustilo su u ovaj veliki poduhvat. Sustavan rad na ljudskom genomu dao je izuzetan poticaj razvitku postupka sekvencioniranja. Nakon brojnih poboljšanja ovaj postupak je, u svojoj najsavršenijoj izvedbi, potpuno automatiziran i robotiziran. Razvitak tehnike omogućio je određivanje slijeda nukleotida značajnog broja manjih genoma. Osim bakterijskih, sekvencioniraju se i geni eukariota i postaje sve očitije da za upoznavanje pune prirode nasljednog materijala treba odrediti redoslijed baza i u DNA koja ne kodira proteine, a koja kod viših organizama zauzima i više od 95 posto genoma. Prvi bakterijski genomi sekvencionirani su 1995. godine, a godinu dana kasnije određen je slijed nukleotida prvog eukariotskog organizma - kvasca Saccharomyces cerevisiae. Razvija se novo područje biologije - genomika, usko vezano uz bioinformatiku. Osim ogromne količine informacija o pojedinim genima i proteinima izučavaju se i njihove međusobne interakcije kao i vrlo složeni obrasci ekspresije pojedinih gena i skupina gena kao i funkcioniranje genoma kao cjeline. Takvi postupci omogućavaju sasvim novi uvid u sve životne procese i potiču formiranje znanstvnih paradigmi koje se provjeravaju u konkretnim, na hipotezi zasnivanim eksperimentima. U siječnju 1999. bila je poznata sekvencija genoma 19 organizama (uglavnom bakterija), a godinu dana kasnije taj je broj udvostručen. U ovakve istraživačke poduhvate sve se više uključuje komercijalni interes kao glavni pokretač, a sve velike farmaceutske kompanije osnivaju posebne odjele za genomska istraživanja jer u njima vide ogroman potencijal za otkrivanje novih lijekova. To je dovelo i do nove primjenjene discipline - farmakogenomike. Dodatni zaplet u priči o sekvencioniranju ljudskog genoma bilo je nedavno uključenje privatne kompanije Celera Genomics, predvođena kontroverznim poduzetnikom Craigom Venterom, koja se pojavila kao konkurent projektu akademske zajednice HUGO. Ove dvije inicijative nisu se razlikovale samo u porijeklu i količini uloženih sredstava nego i u pristupu: uređaj ogromnih radnih kapaciteta razvijen u tvrtki Perkin-Elmer omogućio je Celeri primjenu tzv. shotgun strategije kod koje se sekvencioniraju nasumično odabrani fragmenti DNA koji se nakon toga poredaju pomoću računala, dok je HUGO inzistirao na sekvencioniranju već prije poredanih, preklapajućih odsječaka kromosoma. I premda je Celera došla do kraja projekta prva i sa znatno manjim ulaganjima, što je spektakularno objavljeno 6. travnja, ovaj drugi pristup daje potpuniju i kvalitetniju sekvenciju u kojoj su obuhvaćena sva znanja o ljudskom genomu. Stoga bi najispravnije bilo reći da u ovoj utrci nije bilo poraženog jer će se u budućnosti sasvim sigurno koristiti sekvencije dobivene iz oba izvora. Štoviše, moglo bi se reći i da tek sada nastupa nova faza u razvitku genomike. Nakon što sekvencija bude dostupna cjelokupnoj znanstvenoj javnosti za što, sudeći po nedavnim izjavama Clinotna i Blairea, već postoji suglasnost na najvišoj političkoj razini, postat će od neprocjenjive koristi brojnim istraživačima na različitim područjima biologije čovjeka. Zbog svoje veličine i složenosti, analiza ljudskog genoma kao cjeline, ali i u svojim pojedinim elementima zahtijevat će veliki napor znanstvene zajednice i razvoj novog eksperimentalnog i analitičkog instrumentarija, te ubrzan rast novih znanstvenih tehnika poput bioinformatike koja mora izgraditi programe za analizu ogromnog broja podataka koje dnevno proizvode automatski strojevi za sekvencioniranje. To se može pokazati na primjeru sekvencije kromosoma 22 objavljene u prosincu prošle godine. Ovaj kromosom predstavlja samo 1, 7 posto ljudskog genoma. Premda se radi o dosada najkvalitetnije obrađenoj sekvenciji dobivenoj unutar programa HUGO, još uvijek postoji 11 praznina koje se nisu mogle klonirati ili sekvencionirati, a tih 3 posto sekvencije koja nedostaje odgovara veličini manjeg bakterijskog genoma. Premda postojeće praznine sigurno sadrže i neke važne informacije, još se veći problemi susreću prilikom interpretacije poznate sekvencije. Na primjer, na temelju svih raspoloživih bioloških informacija na kromosomu 22 određeno je ukupno 545 gena, dok analiza same sekvencije ukazuje na prisutnost čak 817 gena! Ovakva razlika ukazuje na veličinu problema s kojima ćemo se nositi prije nego što svim pojedinačnim genima i njihovim produktima odredimo ulogu na molekularnoj razini, dok će za dublji uvid u fiziologiju stanice biti potrebno poznavati i sve modulacije u njihovoj ekspresiji kao i međusobne interakcije različitih genskih produkata. Bez obzira na još uvijek postojeće praznine u sekvenciji ljudskog genoma i naše ograničene sposobnosti interpretiranja genetičkog zapisa, sasvim je sigurno da ovo dostignuće, stvarno ali i simbolički, predstavlja prvi korak u novom razdoblju istraživanja biologije čovjeka. Neposredna korist od poznavanja sekvencije nukleotida humanog genoma prvo će se osjetiti u medicini i to ne samo u liječenju i diagnostici oko 5.000 nasljednih bolesti nego i kod drugih zdravstvenih poremećaja. Farmaceutska industrija i moderna biotehnologija otkrivaju sasvim nova područja i metode istraživanja čineći sastavni dio znanstvenog poduhvata koji će brže nego što mislimo izmijeniti sliku svijeta u kojem živimo. A kao odgovor na pitanje iz naslova, poslužit ćemo se citatom D. H. Hamera: Ali ono što 'Projekt genom' zaista jest prije svega drugog, on je početak - iskorak ka novom načinu bavljenja biologijom, razumijevanju bolesti, otkrivanju naših početaka, pa i razumijevanju nas samih.

ljudski genom

nije evidentirano