O echipă internațională de oameni de știință a anunțat că a secvențiat întregul genom uman, inclusiv părți care au fost omise în prima secvențiere de acest tip, acum două decenii.

În urmă cu douăzeci și unu de ani, cercetătorii au anunțat primul „proiect” de secvențiere a întregului genom uman. A fost o realizare istorică, dar secvenței îi lipsea încă aproximativ 8% din genom. Acum, oamenii de știință declară că au reușit în sfârșit completarea acelui procent de 8%. Dacă se dovedește, în timp, că într-adevăr au secvențiat și asamblat genomul uman complet, viitorul medicinei ar fi revoluționat. 

De ce este importantă secvențierea genomului uman?

Secvențierea genomului uman a fost mult timp un proiect colosal cu obiective îndrăznețe. De ce? Deoarece, pe măsură ce oamenii își înțeleg mai bine codul genetic, pot produce medicamente mai eficiente și mai personalizate. De exemplu, pot fi dezvoltate inclusiv   medicamente axate pe gene, asemănătoare celor care au stat la baza primelor vaccinuri anti-COVID-19.

RECOMANDĂRILE EXPERȚILOR DOC

Oamenii au 46 de cromozomi, în 23 de perechi, care reprezintă zeci de mii de gene individuale. Fiecare genă are un număr de perechi de baze, formate din adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C). Există miliarde de astfel de perechi de baze în genomul uman.

Prima schiță a genomului uman a fost făcută în anii 2000

În iunie 2000, Human Genome Project (HGP) și compania privată Celera Genomics au anunțat prima „schiță” a genomului uman. Aceasta a fost rezultatul multor ani de muncă, în care oamenii au continuat să dezvolte computere și algoritmi mai buni pentru procesarea genomului. La acea vreme, cercetătorii au fost surprinși de faptul că din cele peste 3 miliarde de „litere” individuale ale perechilor de baze, au estimat că oamenii au doar 30.000 până la 35.000 de gene. Astăzi, acest număr este mult mai mic, puțin peste 20.000.

Trei ani mai târziu, HGP și-a finalizat misiunea de a cartografia întregul genom uman și i-a definit termenii astfel:

„‘Secvență terminată’ este un termen tehnic care înseamnă că secvența este extrem de precisă (cu mai puțin de o eroare la 10.000 de litere) și foarte contiguă (cu singurele lacune rămase corespunzătoare regiunilor a căror secvență nu poate fi rezolvată  fiabil cu tehnologia actuală)”. 

„Tehnologia actuală” este capabilă să facă multe lucruri la un nivel înalt. În acea perioadă, HGP a folosit un proces numit cromozom artificial bacterian (BAC), în care oamenii de știință au folosit o bacterie pentru a clona fiecare bucată a genomului, apoi le-au studiat în grupuri mai mici. O „bibliotecă BAC” completă are 20.000 de bacterii atent pregătite, cu gene clonate în interior.

De ce este atât de dificilă secvențierea zonei de 8% care lipsește?

Ce se ascunde în misteriosul 8% din genom pe care „proiectul” din 2000 l-a lăsat neatins? Perechile de baze din această secțiune sunt formate din multe, multe modele repetate care au făcut porțiunea prea greu de studiat prin folosirea metodei de clonare a bacteriilor.

BAC și alte abordări pur și simplu nu erau potrivite pentru restul de 8% din genom. „Actualele secvențieri ale ADN-ului, realizate de Illumina, iau mici fragmente de ADN, le decodează și reasamblează puzzle-ul rezultat”, explică dr. Matthew Herper. Acest lucru funcționează bine pentru cea mai mare parte a genomului, dar nu și pentru zonele în care codul ADN este rezultatul unor modele care se repetă de multe ori.

Imaginați-vă numărând simplu de la 1 la 50, apoi numărând 1, 2, 1, 2... din nou si din nou. O parte din ceea ce a făcut ca metoda BAC să aibă succes este că oamenii de știință au avut grijă să minimizeze și să potrivească suprapunerile, ceea ce a devenit aproape imposibil în porțiunea neexplorată a genomului, care se repetă.

Deci, ce este diferit în noile abordări? 

Să vedem mai întâi cum sunt acestea. Pacific Biosciences (PacBio) din California și Oxford Nanopore, cu sediul în Marea Britanie, au tehnologii diferite, dar urmăresc același obiectiv.

PacBio folosește un sistem numit HiFi, unde perechile de baze sunt circulate, literalmente sub formă de cercuri, până când sunt citite în întregime și cu acuratețe ridicată. Sistemul datează de doar câțiva ani și reprezintă un pas uriaș înainte atât în lungime, cât și în acuratețe pentru acele secvențe mai lungi.

Oxford Nanopore folosește curent electric în dispozitivele sale. Șuvițele de perechi de baze sunt presate printr-un nanopor microscopic - doar o moleculă la un moment dat - unde la împinge un curent, pentru a determina ce fel de moleculă sunt. Prin eliminarea fiecărei molecule, oamenii de știință pot identifica întregul fir.

Noul studiu folosește tehnolgii ale PacBio și Oxford Nanopore pentru a elucida misterul secțiunilor necunoscute

În noul studiu publicat în serverul bioRxiv, un consorțiu internațional format din aproximativ 100 de oameni de știință, sunt folosite atât tehnologiile PacBio, cât și tehnologiile Oxford Nanopore pentru a urmări câteva dintre secțiunile rămase necunoscute ale genomului uman.

Consorțiul susține că a crescut numărul bazelor de ADN de la 2,92 miliarde la 3,05 miliarde, ceea ce reprezintă o creștere de 4,5%. Numărul de gene a crescut însă cu doar 0,4%, ajungând la 19.969. Acest lucru arată cât de mari sunt secvențele de perechi de baze care se repetă des în această zonă, în comparație cu genele pe care le reprezintă.

Secvențierea lui George Church, biolog la Universitatea Harvard, a declarat că dacă această lucrare trece cu succes de o evaluare inter pares, va fi prima dată când este complet cartografiat un genom al vertebratelor. Motivul pare să fie simplu: ambele noi tehnologii permit citirea șirurilor foarte lungi de perechi de baze simultan.

De ce sunt atât de importante informațiile lipsă despre gene? 

Ei bine, în studiul genelor, de-a lungul timpului, doar câteva gene populare au beneficiat de interesul cercetătorilor și de finanțarea studierii lor. 

Genele trecute cu vederea au însă o mulțime de mecanisme cheie care cauzează boli, de exemplu. Ambele proiecte au studiat celulele care aveau doar 23 de cromozomi în loc de 46. Acest lucru se datorează faptului că utilizează celule derivate din sistemul reproductiv, în care ouăle și lichidul seminal poartă fiecare jumătate dintr-o încărcătură cromozomială completă.

Celula provine dintr-o aluniță hidatiformă, și prezintă un fel de creștere reproductivă care reprezintă o uniune extrem de timpurie, neviabilă între un spermatozoid și o celulă ovulă care nu are nucleu. Alegerea acestui tip de celulă, care a fost păstrată și cultivată ca o „linie celulară” utilizată în scopuri de cercetare, reduce operațiunea uriașă de secvențiere la jumătate.

Următorul pas este ca studiul să apară într-o publicație evaluată de colegi. Apoi, atât PacBio, cât și Oxford vor încerca să secvențeze întregul genom uman cu 46 de cromozomi. Pentru aceasta, s-ar putea să mai așteptăm însă o vreme.

Sursa foto: Shutterstock
Bibliografie:
https://www.popularmechanics.com/science/health/a36608009/scientists-say-they-sequenced-entire-human-genome/