Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

Humán Genom Projekt

Humán Genom Projekt

A genomika tudomány ugrásszerű fejlődését a Humán Genom Projektnek (HGP) köszönhette. A következőkben, a teljesség igénye nélkül, röviden ismertetem a HGP történetét, célkitűzéseit és néhány eredményét [8.1].

Érdekes módon a HGP az amerikai Energiaügyi Minisztérium (Department of Energy, DOE) kezdeményezésére indult el. Ennek a minisztériumnak az elődjei voltak ugyanis az atombomba kifejlesztésének irányítói. Miután Japánban az amerikaiak ledobták a két atombombát, az amerikai kongresszus azzal bízta meg a DOE elődjét, hogy tanulmányozza a genomot, hiszen a nukleáris sugárzás hosszú távú károsító hatásának az oka a genom sérülése. Mivel a genomot úgy lehet legjobban tanulmányozni, ha megismerjük annak felépítését, 1986-ban a DOE és az NIH (National Institute of Health) elhatározta a HGP elindítását. A szervezőmunka 4 évig tartott, és 1990. október 1-jén hivatalosan is elindult a HGP.

A projektre 15 évet és 3 milliárd dollárt szántak. A projekt fő céljai a következők voltak: Azonosítani a kb. 100 000 gént a humán genomban; Meghatározni a humán genomot felépítő 3 milliárd bázist; Nyilvános adatbázisokban tárolni az információkat, és szoftvereket fejleszteni az elemzéshez; Bevonni a magánszektort; Etikai, törvényi és társadalmi problémákat tisztázni; Modellszervezetek megszekvenálása (pl. egér, csimpánz, háziállatok; növények, mikroorganizmusok, patogének stb.). Ez utóbbival választ kaphatunk olyan kérdésekre, mint pl.: Miért ember az ember (csimpánz vs. ember)? Melyek az élethez nélkülözhetetlen gének (konzervált gének, amelyek minden élőlényben megtalálhatók)? Patogének, háziállatok, növények megszekvenálása.

A HGP nem ment teljesen zökkenőmentesen. 1998-ban, a projekt tervezett idejének a felénél, még csak az emberi genom 5%-a volt ismert, és reménytelennek látszott a projekt sikeres teljesítése. Craig Venter, a projekt egyik vezető alakja egy új módszer bevezetését javasolta. Ez az ún. „shotgun sequencing” lényege az volt, hogy a genomot rövid darabokra felszabdalták, ezeket a darabokat megszekvenálták, majd az átfedő szekvenciák segítségével összeillesztették őket. A módszer bizonyítottan működött kisebb (bakteriális) genomoknál, azonban a HGP vezetői úgy gondolták, hogy a nagyságrendekkel nagyobb emberi genomnál ez a módszer nem fog működni. Venter ezért kilépett a HGP-ből és saját céget (Celera) alapított, és magántőke bevonásával be akarta bizonyítani, hogy jól működik a módszere. Ez a kiválás katalizátorként hatott az eseményekre. A gyorsuláshoz persze az is hozzájárult, hogy a 8 év alatt rengeteg olyan fejlesztés történt, amelyek hatása ekkorra érett meg. A szekvenálást a Sanger által kifejlesztett didedoxi-módszerrel végezték, amelynek egyik hátránya az volt, hogy a DNS-t felépítő négy nukleotid sorrendjét 4 külön zajló reakció segítségével állapították meg, melyek termékeit egymás mellett, 4 külön csíkban kellett elektroforézis segítségével futtatni. Ezzel kapcsolatban kifejlesztették, hogy ha 4-féle fluoreszcens festékkel jelölik meg a 4 terméket, azok egyszerre, egyetlen kapilláris elfo segítségével is futtathatók. Ráadásul pl. az Applied Biosystem olyan szekvenálóautomatát is kifejlesztett, amely egyszerre 96 kapillárissal tudott dolgozni és mindössze napi 15 perc beavatkozást igényelt. De kifejlesztették például a bakteriális mesterséges kromoszóma-vektort, amelyekbe a korábbiaknál lényegesen nagyobb (100-200 kilobázis) genomdarabot lehetett klónozni. Az egyéb jelentős fejlesztések mellett kiemelkedik a számítástechnika fejlődése. A humán genomot felépítő több mint 3 milliárd „betű” tárolása, kezelése, annotálása a 90-es évek elején még méregdrága szuperkomputereket igényelt, manapság már bármelyik személyi számítógép is könnyedén megbirkózik a feladattal. Ezzel kapcsolatban rengeteg új bioinformatikai módszer került kifejlesztésre és számos nyilvános, felhasználóbarát, online adatbázist alakítottak ki. Mindezek hatására 1999-től 15 hónap alatt 10%-ról 94%-ra nőtt a megismert humán szekvencia aránya. A szekvenálásokat nagy, gyárszerű épületekben végezték. A szekvenálás sebességére jellemző, hogy 1999-ben a HGP havonta 7 millió mintát dolgozott fel, és másodpercenként 1000 nukleotidot szekvenált meg. A Celera teljesítménye még lenyűgözőbb. A mindössze 65 fős személyzetből álló szervezet 1999. szeptember 8-a és 2000. június 17-e között 14,9 milliárd bázist szekvenált meg, ami a teljes humán genom közel 5-szörös lefedését tette lehetővé. A Celera és a HGP végül egymással megegyezve, egyszerre, 2001 februárjában, ugyanazon a héten közölték eredményeiket a világ két vezető tudományos lapjában, a Nature-ben és a Science-ben [8.2], [8.3]. A közölt eredmények még csak a humán genom ún. „draft” szekvenciáját tartalmazták, azaz számos lyuk (gap) volt még benne, illetve sok szekvenálási hibát tartalmazott. Ebben egy szekvencia 4-5-szörös lefedéssel volt megszekvenálva. A HGP hivatalosan 2003 áprilisában zárult, amikorra elkészült a magas minőségű, jóval kevesebb lyukat tartalmazó, 8-9-szeres lefedettségű humán genom szekvenciája [8.4].