Ponowne uruchamianie ludzkiego genomu

Projekt ludzkiego genomu był jednym z największych triumfów ludzkości. Ale oficjalna mapa genów, która powstała w 2003 roku, znana jako genom referencyjny, nie jest już odpowiednia.

Mówią więc, że naukowcy opracowujący plany nowej uniwersalnej mapy, jak twierdzą, połączą genomy setek, a ostatecznie tysięcy ludzi, aby stworzyć prawdziwe odniesienie, które odzwierciedla całą ludzkość.

Problem z istniejącą mapą genów polega na tym, że reprezentuje ona tylko jeden sposób, w jaki genom człowieka może wyglądać. Nowa mapa, zwana genomem grafu lub pan-genomem, wykorzystałaby matematykę do odzwierciedlenia każdego możliwego skrętu lub skrętu, jaki genom człowieka może przyjąć podczas spirali wokół 46 chromosomów.

To bardzo nowa technologia. Ale za mniej niż pięć lat wszyscy będą go używać, przewiduje Gabor Marth, genetyk z Uniwersytetu Utah.

Matematyka stojąca za tym pomysłem to teoria grafów. Znasz już wykresy, jeśli znasz grę Sześć stopni Kevina Bacona. Każdy aktor jest węzłem, a jeśli zagrali razem w filmie, to jest to przewaga. Gra polega na znalezieniu najmniejszej liczby krawędzi potrzebnych do dotarcia do Kevina.

W genomie wykresu celem będzie znalezienie ścieżki przez litery genetyczne, która dokładnie pasuje do twojego. Jeśli każda możliwa ścieżka jest reprezentowana – na czym polega cała idea – sprawi to, że interpretacje genomów będą szybsze, tańsze i dokładniejsze.

Zsekwencjonowano mniej niż 250 000 genomów ludzi, ale liczba ta będzie się podwajać każdego roku, ponieważ sekwencjonowanie genomu stanie się rutynowym sposobem diagnozowania chorób w szpitalach dziecięcych i centrach onkologicznych. Niektórzy spodziewają się, że w końcu każdy noworodek będzie miał odszyfrowany genom.

Dokładne określenie, w jaki sposób każdy z nich różni się od pozostałych, to miejsce, w którym pojawi się nowa mapa genów. Laboratorium Marth w Utah jest jednym z kilku zespołów akademickich pracujących nad prototypami wykresów genomu, które zostaną przedłożone organowi normalizacyjnemu w czerwcu.

Jest też zainteresowanie komercyjne. Firma genetyczna 23andMe opracowuje wykresy, a firmy takie jak Google uważnie przyglądają się temu, mówi Benedict Paten, badacz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Wszyscy są zainteresowani tym, by ludzkość była reprezentowana w jednej fundamentalnej strukturze danych, mówi.

Problem z obecnym odniesieniem polega nie tylko na tym, że nadal ma luki, czy też zawiera DNA połączone ze sobą od kilkunastu anonimowych osób na modłę Frankensteina. Chodzi o to, że jako pojedynczy opis trzech miliardów liter, które składają się na ludzkie geny, nie można go łatwo wykorzystać do określenia, jak twoje mogą się różnić.

Problem pojawia się, gdy zsekwencjonuje się nowy genom przy użyciu szybkich maszyn, które rozdrabniają DNA na miliony małych kawałków. Aby je ponownie złożyć, bity są ustawione w linii względem odniesienia, które, podobnie jak obrazek z przodu pudełka z puzzlami, działa jak przewodnik. Ale zazwyczaj około 5 procent danych DNA danej osoby nigdzie się nie zmieści.

Im bardziej różnisz się od referencji, tym trudniej dopasować wszystkie elementy, mówi David Mittelman, dyrektor naukowy Tute Genomics, firmy bioinformatycznej. A jeśli nie możesz znaleźć różnic, nie możesz znaleźć ryzyka.

Międzynarodowy Konsorcjum Referencyjne ds. Genomu który utrzymuje, że odniesienie próbowało nadążyć, oklejając go naukowymi karteczkami samoprzylepnymi. Te alternatywne sekwencje, z których wiele jest powiązanych z ludzkim układem odpornościowym, zawierają obecnie ponad 150 genów i ponad 3,6 miliona liter genetycznych. Ale te przypisy są niewygodne iw większości po prostu ignorowane.

W wielu przypadkach nie ma to żadnego znaczenia. Jakiekolwiek dwie osoby mają wspólną większość listów DNA, ponad 99 procent. Genom referencyjny jest w stanie uwydatnić najczęstsze różnice, czyli zmiany pojedynczych liter DNA wewnątrz genów.

Ale jest to złe w oznaczaniu niektórych większych fragmentów DNA, które mogą zaginąć, zostać dodane lub zostać zmienione. A te są ważne: niektóre zostały powiązane z autyzmem (patrz Rozwiązywanie zagadki autyzmu), podczas gdy inne wydają się być kluczowymi elementami tego, co oddziela nas od małp.

To spora wada, jeśli istota tego, co czyni nas ludźmi, znajduje się w tych wysoce zmiennych regionach, mówi Alex Lash, główny informatyk Fundacji Simonsa w Nowym Jorku, która wspiera prace nad genomem wykresu w Santa Cruz.

Lash mówi, że pomysł zbudowania genomu wykresu wiąże się z wysokim ryzykiem, ponieważ zainwestowano miliardy dolarów w oprogramowanie i wysiłki naukowe wspierające obecne odniesienie, a ludzie mogą nie chcieć się na to przełączać.

To, jak duży postęp będzie miał genom grafowy, również pozostaje do udowodnienia, mówi Deniz Kural, dyrektor generalny Seven Bridges Genomics. Jego firma opracowała graficzną reprezentację genomu, wykorzystując publiczne informacje DNA dotyczące 70 000 osób, a także narzędzia do ich analizy. Teraz testuje, o ile dokładniejsze są genomy złożone za pomocą wykresu.

Kural mówi, że ilość danych potrzebnych do matematycznego opisania każdej możliwej odmiany ludzkiego genomu mogłaby zmieścić się na dysku flash; to tylko około jednego gigabajta. Opisanie znaczenia tych wariacji jest o wiele szerszym przedsięwzięciem, obejmującym dziesiątki tysięcy artykułów naukowych.

Naukowcy zaangażowani w opracowywanie podejścia grafowego twierdzą, że spodziewają się, że ich pomysł zwycięży, nawet jeśli oznacza to umieszczenie mapy stworzonej w oryginalnym Human Genome Project w głębokim magazynie. To trochę śmieszne, przebijać wszystkich przez pryzmat tego jednego genomu referencyjnego, mówi Michael Schatz, badacz bioinformatyki w Cold Spring Harbor Laboratory. Uzyskanie pierwszej reprezentacji genomu było ogromnym kamieniem milowym, ale teraz wyrastamy z niego. Czas na restart.

ukryć