Projekt poznania ludzkiego genomu – Human Genome Project

Inicjatywa poznania sekwencji nukleotydowej ludzkiego genomu została zapoczątkowana w 1987 roku. Human Genome Project, finansowany początkowo przez U.S. Department of Energy (DOE), a od roku 1990 przez National Institutes of Health (NIH), dysponował budżetem w wysokości 200 milionów USD rocznie i zakończył się w roku 2001. W czasie trwania projektu HGP sektor prywatny również starał się o pierwszeństwo w poznaniu ludzkiego genomu. Craig Venter ustanowił w tym celu The Institute of Genomic Research (TIGR), a od roku 1998 wspomógł całą operację uruchamiając dodatkowo firmę Celera Genomics™. Wyniki sekwencjonowania genomu człowieka ogłoszono ostatecznie na łamach prestiżowego magazynu naukowego Science w lutym 2001 roku… jednak był to jedynie początek fascynującej historii odkrywania tajemnic skrywanych przez ludzki genom jądrowy.

Choć wielu sądzi, iż sekwencjonowanie ludzkiego DNA zostało wykonane w 100%, to trzeba mieć świadomość faktu, iż jest inaczej – wielu fragmentów nie udało się wówczas zsekwencjonować z racji ograniczeń dostępnych technologii, dodatkowym problemem okazało się „składanie” sekwencji ludzkiego genomu z racji na niedoskonałość metod analizy bioinformatycznej. Wciąż pozostało wiele do odkrycia, a wyjątkowo interesujący element tej układanki stanowi opisanie elementów regulatorowych w genomie – informacji na tym polu dostarcza projekt ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) w ramach National Human Genome Research Institute.

Od czasu pierwszych sekwencjonowań DNA metodą Sangera upłynęło sporo lat, a obecne metody stosowane w laboratoriach dają możliwości nieporównywalnie lepsze z tymi, których używano w pierwszych latach badań nad genomem człowieka. Najbardziej rozpowszechniona metoda sekwencjonowania dostępna jest dzięki platformom firmy Illumina™, wśród pozostałych graczy na rynku wymienić należy chociażby: IonTorrent™, Oxford Nanopore™, DNA Electronics™ oraz kalifornijską firmę Pacific Biosciences™. Sekwencjonowanie kwasów nukleinowych znalazło zastosowanie w nowoczesnych metodach diagnostyki molekularnej, a niektóre metody dostępne są niemalże „przy łóżku szpitalnym”.

Metody sekwencjonowania DNA stanowią narzędzie służące chociażby do wykrywania mutacji warunkujących oporność na terapie lekami przeciwnowotworowymi. Jedną z najlepiej opisanych mutacji w przypadku nowotworów litych jest mutacja T790M obserwowana u pacjentów chorych na niedrobnokomórkowego raka płuca (NDRP). Mutacja ta wiąże się z progresją choroby u pacjentów leczonych inhibitorami kinazy tyrozynowej receptora nabłonkowego czynnika wzrostu (EGFR-TKI), do których zaliczane są leki takie jak erlotynib, gefitynib czy afatynib. Progresję NDRP można na pewien czas przyblokować włączając drugą linię terapii z zastosowaniem ozymertynibu (trzecia generacja leków EGFR-TKI), jednak kolejne mutacje (np. G796D) pojawiające się podczas leczenia stanowią duże wyzwanie dla naukowców i lekarzy.

Niewątpliwie ważnym narzędziem w diagnostyce molekularnej stosującej sekwencjonowanie nowej generacji (NGS – New Generation Sequencing) jest platforma LiDia™ opracowana przez firmę DNA Electronics™. Producent zastosował w tym przypadku tzw. sekwencjonowanie półprzewodnikowe, opierające się na fakcie uwalniania jonów wodorowych H+ podczas wbudowywania do łańcucha DNA kolejnych zasad purynowych i pirymidynowych w reakcji sekwencjonowania. Metoda LiDia™ pozwala na szybką identyfikację patogenów grzybiczych oraz chorobotwórczych szczepów bakterii występujących w niskiej koncentracji – dolna, graniczna wartość detekcji wynosi 1 CFU/ml. Wykorzystanie technologii firmy DNA Electronics™ stanowi narzędzie w diagnostyce sepsy i umożliwia identyfikację patogenów w czasie około 3 godzin od rozpoczęcia procedury (1.3 miliona przypadków sepsy rocznie notuje się tylko w USA, śmiertelność wg różnych źródeł wynosi od 30% do nawet 50%).

Warto zwrócić uwagę na technologię opracowaną przez firmę Oxford Nanopore™. Opracowane przez firmę urządzenia PromethION, GridION oraz MiniION dają możliwość sekwencjonowania DNA oraz RNA (bez etapu odwrotnej transkrypcji) w czasie rzeczywistym (real-time DNA seq) przy maksymalnej długości odczytów sięgającej > 1 Mb. Na uwagę zasługuje fakt, że technologia ta oparta jest na bardzo oryginalnym pomyśle wykorzystania oktamerycznego białka bakteryjnego Alfa-hemolizyny jako poryny z centralnym kanałem o średnicy 1 nm, osadzonej na syntetycznej membranie wykonanej z SiNx i SiO2. W ogromnym uproszczeniu można powiedzieć, że metoda opiera się na transporcie jednoniciowego kwasu nukleinowego poprzez światło nanoporu i pomiarze zmian potencjału elektrycznego, który zmienia się o odpowiednie i charakterystyczne wartości dla kolejnych reszt A, T, C oraz G – co umożliwia odczyt sekwencji.

Sekwencjonowanie z wykorzystaniem technologii nanoporów zostało niedawno użyte do błyskawicznej identyfikacji wirusa Ebola Zair w Demokratycznej Republice Konga, co z kolei umożliwiło zastosowanie szczepionki rVSV-ZEBOV dla ograniczenia rozprzestrzeniania się wirusa w zamieszkującej tam populacji.

Sekwencjonowanie DNA metodą Nanopore™ to technologia kosmiczna… dosłownie. Urządzenie MiniION zostało bowiem w sierpniu 2016 roku użyte na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) do przeprowadzenia pierwszego sekwencjonowania DNA na orbicie ziemskiej.
Projekt sekwencjonowania ludzkiego genomu zakończył się w 2023 roku, kiedy badacze zsekwencjonowali chromosom Y – do katalogu ludzkiego DNA dodano ponad 30 mln par zasad i zidentyfikowano ponad 40 nowych genów.

Rozwój nowych metod diagnostycznych oraz stosowanie płynnej biopsji w warunkach klinicznych sprawia, że producenci systemów sekwencjonowania DNA prześcigają się w opracowywaniu nowych technologii, kitów diagnostycznych oraz w obniżaniu kosztów stosowania tego typu rozwiązań. W najbliższym czasie będziemy zapewne świadkami rozwoju tej fascynującej dziedziny, jaką bez wątpienia stanowi genetyka kliniczna.

dr Łukasz Sobkowiak

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

Leave a Comment

Scroll to Top