Interpretace genomu

Těchto 12 prototypů vypadá jako prefabrikované dětské pevnosti – krabice velikosti mrazáků, potažené jasně červeným plastem a seskupené po dvou a po třech na betonové podlaze v Pacific Biosciences, startupu v Menlo Park, CA. Ale jednoduchý exteriér strojů popírá složitost uvnitř. Každá krabička obsahuje malý čip nabitý tisíci řetězců DNA z bakterií nebo virů, každý řetězec v jamce o velikosti nano. Enzym přilepený ke dnu každé jamky rychle vytvoří odpovídající řetězec, spojí dohromady báze nebo chemické podjednotky DNA, které se správně spárují s těmi původními. Každá ze čtyř typů bází, reprezentovaná písmeny A, T, C a G, je označena jiným fluorescenčním markerem, který je aktivován reakcí, která připojí novou bázi k vláknu. Protože stroj sleduje reakce, jak k nim dochází, může chrlit hromady nezpracovaných dat o sekvencích vzorků DNA tak rychle, jak je dokáže zaznamenat vestavěná kamera.

Superrychlé sekvenování: Prototypové stroje v Pacific Biosciences jsou testovány s bakteriální DNA.

Počítačový monitor nainstalovaný vedle každého stroje zobrazuje snímek probíhající akce. Řada světel se rozptýlí po obrazovce, praská a mizí v rychlém sledu. Každý záblesk trvá jen desítky milisekund, ale jeho barva ukazuje, která ze čtyř bází byla právě přidána do řetězce DNA, a jeho poloha ukazuje kde. Aby bylo možné video sledovat, musí být zpomaleno: záblesky přicházejí příliš rychle, než je lidské oko zpracuje. Počítačové algoritmy převádějí vzor záblesků na sekvence DNA dlouhé stovky až tisíce bází. Další algoritmy pak porovnávají miliony těchto úseků DNA, identifikují sekvence, které se na jejich koncích překrývají, a spojují kusy dohromady, aby zachytily kompletní genom.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z ledna 2009

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Pokud jde o sekvenování DNA, čas jsou peníze a komerční stroje Pacific Biosciences, které mají vyjít v roce 2010, by se mohly ukázat jako nejrychlejší, jaké kdy byly vyrobeny. Projektu Human Genome Project trvalo zhruba 300 milionů dolarů a 13 let, než vypracoval sekvenci tří miliard párů bází DNA ve složeném lidském genomu, což byl úkol dokončený v roce 2003. V říjnu 2008 byli výzkumníci používající různé nové typy strojů řekli, že by mohli sekvenovat individuální genom za méně než 100 000 $; jedna společnost slibuje genom za 5000 dolarů do příštího jara. A Pacific Biosciences předpovídá, že do roku 2013 budou její stroje schopny sekvenovat genom člověka za 15 minut za méně než 1000 dolarů.

Až dosud vědci sekvenovali genomy hrstky lidí, což jim dalo obecný smysl pro lidskou variabilitu. Ale rychlá a levná sekvenační technologie by mohla umožnit číst genomy tisíců, možná milionů lidí. Pročesáním těch nesčetných genomů a propojením specifických sekvencí DNA s různými vlastnostmi – rukou, výškou, krevním tlakem a náchylností k úzkosti, abychom jmenovali alespoň některé – by vědci měli být schopni rozluštit složitou souhru genetických variant, díky nimž je každý jedinec jedinečný. Nejdůležitější je, že tento druh sekvenační kapacity by mohl konečně odhalit zděděný základ běžných nemocí – hádanku, která se genetikům posmívala po celá desetiletí.

Reportérův zápisník : Emily Singer

Skutečný dopad na medicínu je však mnohem méně jistý a může být mnohem méně pozitivní. Téměř dvě desetiletí vědci slibovali, že pokroky v technologii sekvenování umožní lékařům praktikovat personalizovanou medicínu, zaměřenou na léčbu pacientů na základě jejich genetických profilů. Předpokladem bylo, že se ukáže, že základem konkrétního onemocnění bude omezený počet běžných genetických variant a lékaři budou moci předepisovat léky podle toho, které varianty jejich pacienti nesli. Nejnovější údaje však naznačují, že i nejběžnější dědičná onemocnění, jako je cukrovka a srdeční choroby, jsou spojeny s mnoha různými variantami, z nichž každá je relativně vzácná. Pokud je to pravda, pak by se praktikování personalizované medicíny mohlo stát velmi komplikovaným – a velmi drahým. Nebylo by dobré mít genom za 5 000 dolarů a analýzu za 500 000 dolarů, říká Francis Collins, bývalý ředitel National Human Genome Research Institute a vedoucí projektu Human Genome Project.

Beyond Common Variations
Genomická medicína začala vážně v 80. letech 20. století, kdy vědci identifikovali geny spojené s nemocemi, jako je Duchennova svalová dystrofie a cystická fibróza. Obě jsou takzvané mendelovské choroby, což znamená, že jsou způsobeny mutacemi v jediném genu; každý, kdo zdědí jednu nebo dvě kopie mutovaného genu, v závislosti na nemoci, bude postižen. Během posledních 20 let vědci identifikovali geny pro řadu mendelovských poruch a screeningové testy založené na těchto objevech vedly k dřívější diagnóze. V případě poruch, které se vyvinou pouze tehdy, když člověk zdědí dvě kopie mutace, mohou testy identifikovat zdravé přenašeče, což jim pomůže lépe se informovaně rozhodnout o tom, mít děti. Jednogenové poruchy však tvoří velmi malé procento lidských onemocnění. U většiny nemocí je mnohem těžší určit genetické viníky.

Když vědci koncem 90. let začali sestavovat hrubý návrh sekvence genomu, odhalili užitečný fenomén. Velké bloky DNA, známé jako haplotypové bloky, měly tendenci se předávat neporušené po generace. Různé verze těchto bloků, které byly spojeny s původem předků jednotlivce, měly charakteristické vzorce společných genetických variací známých jako jednonukleotidové polymorfismy (SNP), ve kterých se genetická sekvence liší pouze o jedno písmeno DNA. Výmluvný SNP by tedy mohl sloužit jako marker pro okolní DNA. Objev byl přínosem pro genetiky – pokud by se každý blok vyskytoval v omezeném počtu odrůd v lidské populaci, bylo by zbytečné kontrolovat každou základnu v genomu na variace spojené s běžnými nemocemi, jako je astma nebo schizofrenie. Přítomnost konkrétního SNP by indikovala, který haplotypový blok jedinec nesl.

Výzkumníci vyvinuli genetické mikročipy, které by mohly rychle detekovat přítomnost těchto běžných SNP v celém genomu; skenováním pro výmluvné variace, což je relativně levný proces, mikročipy umožnily dosud největší genomické studie. Vědci je použili k efektivnímu prohledávání desítek tisíc lidských genomů pro SNP častější například u lidí s autismem nebo Alzheimerovou chorobou než u zdravých lidí. Během posledních dvou let byla publikována záplava studií, které identifikovaly více než 300 genetických variací spojených s řadou společných znaků a nemocí.

Nalezení těchto variací však nevedlo k průlomu, v který někteří vědci doufali v pochopení genetického základu běžných nemocí. Je to proto, že se ukázalo, že představují pouze malý zlomek genetického rizika mnoha nemocí. Výzkumníci identifikovali 18 genů spojených například s diabetem 2. typu a byly zavedeny testy k identifikaci variací. Mnoho dalších dědičných rizikových faktorů onemocnění však zůstává neznámých. To znamená, že nové testy poskytují neúplný obrázek o tom, jak je pravděpodobné, že se u někoho vyvine cukrovka, takže je obtížné je použít k přizpůsobení lékařských rozhodnutí. Existuje jen velmi málo důvodů k tomu, abychom povzbuzovali, že strategie prevence mohou být převratné díky tomu, co jsme dosud objevili [na genetickém základě běžných nemocí], říká David Goldstein, ředitel Centra pro populační genomiku a farmakogenetiku na Duke University v Durhamu. NC.

Hon na SNP má smysl, pokud dědičné riziko onemocnění, jako je diabetes 2. typu, vyplývá z kombinace mnoha běžných genetických variací, z nichž každá má malý účinek. Ale co když je to jen část příběhu? Co když hrají roli i jiné, vzácnější typy genetických mutací? Protože mikročipy byly navrženy tak, aby detekovaly běžné SNP, chybí jim variace, které se objevují u méně než 1 procenta populace. Tyto mutace jsou ohniskem alternativní hypotézy, ve které – stejně jako v Mendelově modelu – vysoce ovlivňující individuální variace významně přispívají k onemocnění. Jakákoli z variací se může podle tohoto myšlení vyskytovat zřídka, ale pokud ovlivňují stejné nebo příbuzné biochemické dráhy, mohou mít podobné výsledky. Společně by mohli způsobit, že porucha je relativně běžná.

Až donedávna bylo vynaloženo pouze omezené úsilí na hledání vzácných variant spojených s běžnými nemocemi. Toto hledání může zahrnovat prosévání každého písmene DNA – něco, co lze provést pouze sekvenováním. Se starou technologií to bylo příliš drahé na to, aby to bylo praktické. Ale s ohledem na neuspokojivé výsledky studií microarray se vědci obracejí na nové rychlé sekvenační technologie, aby důsledně otestovali hypotézu vzácných variant. Je pravděpodobné, že velká část zbytku dědičnosti [nemoci] se skrývá ve vzácných variantách s velkým dopadem, říká Collins. Pokud opravdu chceme porozumět genomice nemocí, potřebujeme kompletní genomové sekvence.

Stále není jasné, jak moc vzácné variace přispívají k onemocnění, ale důkazy začínají prosakovat. Ve studii zveřejněné letos v létě biologové z Kalifornské univerzity v Berkeley sekvenovali gen pro enzym zvaný MTHFR, který přeměňuje folát vitamínu B. (kyselina listová) z jedné formy do druhé. Vědci již dříve identifikovali běžnou genetickou variantu, která produkuje oslabenou verzi enzymu, čímž se zvyšuje riziko vrozených vad a možná i srdečních chorob. Sekvenováním genu MTHFR u 564 lidí různých etnických skupin našli Nick Marini a kolegové čtyři nové varianty, které také narušují funkci enzymu; přítomné u méně než 1 procenta subjektů, tyto varianty by byly ve studiích microarray nedetekovatelné.

Osobní genom
Na nedávné konferenci ve ctihodné Cold Spring Harbor Laboratory na Long Islandu seděl James Watson, spoluobjevitel struktury DNA, shrbený v první řadě hlediště pod velkým portrétem sebe sama. Watson, který nějakou dobu vedl projekt Human Genome Project, nechal svůj genom sekvenovat v roce 2007. Jeho byl teprve druhým individuálním genomem, který byl kompletně zmapován. (Craig Venter, který vedl soukromé úsilí o sekvenování genomu, použil jako vzorek svou vlastní DNA.)

Watson není známý tím, že by seděl na následných konferenčních prezentacích. Ale velká část této konference byla o něm. Navštěvoval přednášku za řečí, zatímco vědci prezentovali své analýzy toho, co se stalo láskyplně známým jako Projekt Jim. Watson je zdánlivě zdravý 80letý muž a výsledky zkoumání jeho genomu byly zatím poměrně všední. Má další kopie genetických variací, které byly prokázány v předchozích studiích, aby chránily například před srdečními chorobami a makulární degenerací. Zpočátku znepokojivá mutace v BRCA1 gen, který je spojen s rakovinou prsu, se ukázal jako neškodný. Ale velká většina Watsonova genomu zůstává nevysvětlitelná. Vědci ještě musí najít genetickou složku jeho inteligence, zvědavosti nebo sklonu k politicky nekorektním výlevům. Pro Watsona je možná nejdůležitější, že zatím není jasné, zda má genetickou zranitelnost vůči schizofrenii, kterou předal svému synovi, který touto nemocí trpí.

Referenční sekvence projektu Human Genome Project, která je složeninou genetické informace od více než 20 jedinců, poskytla vědcům základní plán genomu. Ale jeden genom má své limity. Pouze porovnáním více genomů mohou vědci začít chápat genetickou variabilitu, která je základem zranitelnosti vůči nemocem nebo šílenství, sklonu k atletické zdatnosti nebo matematické genialitě, sklonu k altruismu nebo agresi.

Dokonce i Watson, který strávil svou kariéru tím, že se snažil porozumět DNA, se zdá být méně než ohromen, když vidí podrobnosti o jeho genomu prezentované. Uvidíme, jestli mi něco z toho přidá pět minut k délce života, poznamenal na konferenci. Význam většiny jeho genetických vtípků skutečně zůstane záhadou, dokud se k němu nepřipojí mnoho dalších lidí a nechá si sekvenovat své genomy.

PGP 10: Prvních 10 dobrovolníků v projektu Personal Genome Project si v současné době nechává sekvenovat kódující oblasti jejich genomů; malá část sekvence je zobrazena pro ty, jejichž data jsou zveřejněna online. Sekvenční data budou uložena ve veřejné databázi spolu se zdravotními záznamy dobrovolníků a dalšími informacemi, jako je jejich morfologie obličeje (měřeno páskami na čele). Vědci využijí databázi, která by měla nakonec zahrnovat 100 000 lidí, k hledání vazeb mezi geny a nemocemi nebo jinými charakteristikami.

Genetik z Harvard Medical School George Church, který pracuje na technologii sekvenování od svého doktorandského výzkumu na Harvardu na počátku 80. let, si klade za cíl tento proces urychlit. Před třemi lety Church spustil projekt Personal Genome Project (PGP), jehož cílem je shromáždit genetická a lékařská data od tisíců lidí v průběhu příštích pěti let. Projekt ukazuje nejen na technické a vědecké výzvy, které může rozsáhlé sekvenování lidských genomů představovat, ale také na etické problémy.

V pilotní fázi se projekt zaměří na 10 dobrovolníků, včetně Churche, harvardského psychologa Stevena Pinkera a podnikatelky Esther Dysonové. Nejprve bude sekvenovat kódující oblasti jejich genomů – 1 procento DNA, které řídí produkci proteinů. Tyto informace spolu s lékařskou anamnézou účastníků (včetně předepsaných režimů) a informacemi o jejich výšce, váze, ruce a dalších vlastnostech budou uloženy do veřejné databáze. Churchův tým doufá, že tato databáze poslouží jako zdroj pro vědce nebo dokonce členy veřejnosti, kteří chtějí hledat vazby mezi konkrétními genetickými variacemi a nemocemi nebo jinými vlastnostmi.

První soubor dat – zveřejněný účastníkům v říjnu – naznačuje jak příslib sekvenování, tak současná omezení genetické analýzy. John Halamka, CIO z Harvard Medical School a další z 10 původních dobrovolníků, se dozvěděl, že je nositelem mutace Charcot Marie-Tooth, dědičné neurologické poruchy. Tato vzácná variace by nebyla nalezena s existujícími poli SNP. Ale protože Halamka přežil dětství bez úhony a jen u dalších tří lidí na světě bylo prokázáno, že jsou nositeli této konkrétní mutace, je těžké vědět, jaký dopad to mělo na jeho zdraví, pokud vůbec nějaký. Možná, že mnoho lidí nese variaci bez nepříznivého účinku a souvislost mezi nemocí a mutací byla přeceňována. Nebo možná má gen širší dopad, než se očekávalo, což zvyšuje riziko dalších neurologických onemocnění. (Nebo, jak poznamenává George Church, nález může být prostě chyba.)

Čím větší je počet záznamů v databázi, tím snáze porozumíme nálezu, jako je ten Halamkův. A v dubnu 2008 obdržel Churchův tým souhlas od Harvardu k rozšíření projektu z 10 na 100 000 účastníků. (Církev plánuje postupné navyšování pomalu a každý rok znásobí počet subjektů 10.) Tato další fáze vážně otestuje jak technologii používanou k sekvenování genomů, tak strategie používané k interpretaci výsledných dat. V listopadu, asi rok po zahájení projektu, se vědci PGP dostali jen asi do pětiny cesty sekvenováním kódujících oblastí genomů původních dobrovolníků. (Church plánuje rozšířit PGP na celý genom, jakmile bude sekvenování dostatečně levné.) Pokud mají sekvenovat tisíce dalších genomů, bude muset být technologie sekvenování tak rychlá a robustní, jak Church věří, že může být.

Příliš mnoho informací
Využití dat z PGP bude samo o sobě představovat problémy. Za prvé, Church a jeho tým budou muset vymyslet nejlepší způsob, jak dát větší skupině dobrovolníků své výsledky. Prvních 10 dostalo individuální genetické poradenství od Josepha Thakuria, lékařského ředitele projektu a klinického genetika na Harvard Medical School. Ale Thakuria nebude moci radit tisícům nových subjektů. Vzhledem k nedostatku genetiků a genetických poradců s odpovídajícím školením je téměř jisté, že se tento problém bude projevovat mnohem šířeji, jakmile se osobní genomika stane dostupnější.

Ale největší výzvou v další fázi lidské genomiky bude pravděpodobně interpretace významu zdánlivě nekonečné řady variací, které budou odhaleny. K jednotlivým genetickým změnám dochází náhodou a některé jsou neškodné. Jiné jsou náhodou nebezpečné, narušují některé životně důležité buněčné procesy a zvyšují riziko onemocnění. A některé mohou být dokonce prospěšné – například zlepšují odbourávání toxinů, a tím chrání před určitými nemocemi. Ale často není možné určit, do které třídy variace spadá, pouhým pohledem na ni. A protože nové technologie umožňují vědcům sekvenovat genomy velkého počtu lidí, seznam známých variant se rychle rozroste. Tyto informace budou ožehavé a problematické z hlediska interpretace, říká James Evans, profesor genetiky a medicíny na University of North Carolina v Chapel Hill. Všichni máme mutace a změny, kterým jednoduše nerozumíme. Jako obvykle bude technologie před naší schopností ji používat.

Složitost nových genomických informací může být také překážkou pro personalizovanou medicínu, kterou mělo sekvenování genů přinést. Vědci doufali, že vytvoří testy, které předpovídají riziko jednotlivce pro konkrétní onemocnění nebo odhalí, který lék bude pravděpodobně fungovat nejlépe. jeho nebo její. Ale genetické testy, které odhalí nově objevené variace, nebudou příliš užitečné, dokud vědci nezjistí, co tyto variace znamenají. A pokud je mnoho běžných onemocnění způsobeno vzácnými variantami, úkol bude obrovský. Pochopení rizika založeného na vzácných variantách nám zabere roky, říká Dietrich Stephan, zakladatel a hlavní vědecký ředitel Navigenics, startupu pro osobní genomiku.

Někteří vědci si myslí, že skutečná hodnota genomiky vůbec nemusí spočívat v personalizované medicíně. Tam, kde se to skutečně vyplatí, je podle nich prohloubení našeho chápání nemocí a pomoc výzkumníkům objevit nové cíle pro drogy. Primární hodnotou genetického mapování není predikce rizika, ale poskytování nových poznatků o mechanismech onemocnění, napsal David Altshuler, lékař a genetik z Broad Institute v Cambridge, MA, v nedávném článku publikovaném v časopise Science. Ve skutečnosti, zdůrazňuje Altshuler, identifikace i vzácných genetických změn může skončit pomoci velkému počtu pacientů. Například studie dědičné formy vysokého cholesterolu zjištěné u méně než 0,2 procenta populace vedly k objevu receptoru pro lipoproteiny s nízkou hustotou (LDL), který pomáhá odstraňovat přebytečný cholesterol z krevního řečiště. To zase vedlo k vývoji trháků známých jako statiny, léků na snížení cholesterolu, které spouštějí zvýšení počtu LDL receptorů na povrchu jaterních buněk.

Nikdo neví, kdy dorazí další blockbuster. Předpovídání o výhodách genomiky se stalo stejně nevděčným jako snaha předvídat samotné riziko onemocnění. A čím snazší je sekvenovat genom, tím těžší je pochopit složitost, kterou sekvence odhalují. Jak říká Collins, The Human Genome Project byl možná jednoduchý podnik ve srovnání s tím, čemu čelíme dále.

Emily Singer je Recenze technologie hlavní redaktor biomedicíny.

skrýt