Човекът, чийто геном можете да прочетете от край до край (СНИМКА)

Нито един човешки геном не е бил разчетен в неговата цялост досега. Тази година учените очакват да постигнат това за първи път.

Преди края на 2023 г. трябва да можете да прочетете нещо забележително. Това ще бъде историята на един човек, кой е той и откъде идва, а и какво крие бъдещето му. Вероятно няма да е най-забавното четиво на пръв поглед и ще е много, много дълго. Но това ще бъде ключов момент – публикуването онлайн на целия геном на едно човешко същество, от край до край без пропуски.

В този момент може да почувствате, че сте чували това и преди. Със сигурност човешкият геном е публикуван преди десетилетия? Не е ли всичко направено в тази област?

Всъщност изследването на човешкия геном никога не е било завършвано. Първата чернова на човешкия геном беше публикувана през 2001 г., преди консорциум от международни учени от проекта за човешкия геном да обяви, че са „завършили“ работата с готова последователност през 2003 г. Сглобена от парчета от ДНК на различни хора, това стана „референтна“ последователност, спрямо която всички останали човешки ДНК могат да бъдат сравнени.

Това със сигурност е най-доброто, което може да се направи по онова време, но има големи пропуски и грешки. По-късните версии са подобрени, но много от проблемите остават. Едва през последните няколко години технологията напредна дотам, че е възможно да се разчете целият човешки геном, без пропуски и с минимални грешки. Но всички съществуващи до сега изследвания са съставни, използвайки ДНК, извлечена от множество индивиди. Тази година за първи път ще бъде освободен целият геном на едно човешко същество – човек на име Леон Пешкин.

Този пълен, единствен човешки геном ще бъде монументално техническо постижение. Изминали са само 70 години, откакто структурата на двойната спирала на ДНК е разкрита за първи път, отчасти благодарение на зърнисто черно-бяло изображение, направено от Розалинд Франклин, което трансформира нашето разбиране за това как се съхранява генетичната информация. Днес имаме способността да прочетем целия генетичен „учебник“, който прави човек уникален.

Но участващите генетици казват, че това също е начало, а не край. Сега те искат да секвенират геномите на хора от цял ​​свят, за да изградят истинска картина на генетичното разнообразие на нашия вид. Те искат да разберат какво правят преди това несеквенираните участъци от ДНК. И искат да въведат секвениране на генома от край до край в клиниките, за да помогнат на лекарите да ни диагностицират и лекуват, когато се разболеем.

Накратко, човешкият геном никога няма да бъде пълен. Никога няма да приключим с четенето му.

Първият човешки геном

Оригиналният проект за човешкия геном (HGP) е един от най-големите научни проекти, правени някога, струващ около 3 милиарда долара (2,5 милиарда британски лири). Стартиран през 1990 г., целта му е да разчете цялата ДНК, която средностатистическият човек носи в клетките си. Първата чернова на последователност е публикувана малко повече от десетилетие по-късно, през 2001 г. Едновременно с това друга версия на генома е публикувана от Celera Genomics.

Човешкият геном обещава много неща. Можем да открием какво правят гените, особено тези, които участват в болестите. Това би позволило бъдещето на персонализираната медицина, в която всички ние получаваме лечение, оформено според генетичния ни състав. Геномът също може да даде информация за нашия еволюционен произход: как точно се различаваме от най-близките ни живи роднини, шимпанзетата и бонобо?

Част от тези неща вече са факт, други – не. Със сигурност знаем много повече за функциите на много гени и тяхната роля при заболявания, вариращи от рак на гърдата до шизофрения. На практика обаче се оказа, че повечето заболявания се влияят от стотици гени, така че геномната медицина не е стигнала много далеч. Малко наследствени заболявания са причинени от един дефектен ген и използването на генетичен скрининг за откриване на тези, изложени на риск от редки заболявания, се използва до голяма степен само за тези, които се считат за най-рискови.

За разлика от това, генетиката е променила нашето разбиране за човешката еволюция, като например разкрива, че нашите предци са се кръстосвали с други хоминини като неандерталците.

Междувременно, на заден план се спотайва неудобният факт, че човешкият геном всъщност никога не е бил завършен. Докато генетиците го почистват от публикуването на първата чернова, последно през февруари 2022 г., някои части от генома остават недостъпни.

Повторения, повторения и още повторения

Проблемът е, че някои ДНК са изключително повтарящи се. Някои участъци от генома повтарят едни и същи последователности отново и отново, понякога за хиляди бази.

Повтарящата се ДНК често се появява в едни и същи части от генома. Нашата ДНК не се съхранява в едно дълго непрекъснато въже, а вместо това е разделена на по-малки парчета, наречени хромозоми. Те са X-образни (с изключение на една Y-образна хромозома, носена от мъжете) и има 23 двойки от тях при хората. Всеки има повтаряща се ДНК във върховете на четирите си рамена – теломерите – и в централния кръст, центромера. И двете са важни.

Смята се, че теломерите действат като защитни капачки и увреждането им е свързано със стареенето. Междувременно центромерите са от решаващо значение за процеса на клетъчно делене, който е в основата на растежа и възпроизводството и който се проваля при рак. Пренареждането на ДНК в центромерите е свързано с развитието на някои видове рак.

Проектът за човешкия геном обаче не успява да секвенира повтарящата се ДНК. Използваният метод не може да отговори на предизвикателството. Не беше прочетен целия геном наведнъж, а вместо това бе нарязан на малки парчета с дължина няколкостотин бази, които бяха разчетени по отделно и след това свързани обратно с компютър. Това няма как да работи за повтарящите се секции, защото компютърът няма как да разбере в какъв ред сегментите трябва да се сглобят. Би било като да се опитваш да сглобиш пъзел, която изобразява единствено безоблачно синьо небе.

„Осем процента липсваха при официално завършената версия през 2003 г.“, казва Адам Филипи, ръководител на геномната информатика в Националния институт за изследване на човешкия геном в Бетесда, Мериленд.

И така нашата повтаряща се ДНК остава, почти изцяло неразчетена, в продължение на 20 години. Едва през 2021 г. Филипи и колегите му обявяват, че са прочели всичко.

От край до край

Консорциумът Telomere-to-Telomere (T2T) не е някакъв грандиозен проект, измислен от големи финансиращи агенции и подкрепен с милиарди долари. „Това беше наистина масово усилие, което беше провокирано от пандемията“, казва Карън Мига, генетик от Калифорнийския университет в Санта Круз. За много експерти по геномика „ние се появихме от нищото“.

Ключовият пробив беше способността за точно разчитане на много по-дълги участъци от ДНК, казва Евън Айхлер, професор по геномни науки в Университета на Вашингтон в Сиатъл. Бяха разработени и други отдавна прочетени технологии, но дори преди пет години те не се смятаха за достатъчно точни. Така че подобряването на точността беше „ключово развитие“.

Същото беше и способността да се извършват „свръхдълги“ четения на последователности, включващи повече от 100 000 бази. „Това, което беше важно, всъщност беше свързването на много големи сложни региони на генома“, казва Айхлер.

Първият голям успех на T2T идва през юли 2020 г., когато пускат пълната последователност на човешка X хромозома. По онова време най-добрата последователност на X хромозомата има 29 празнини и екипът на T2T ги запълва всичките. На следващата година те пускат и пълната последователност на хромозома 8.

През 2021 г. те също издават препринт, озаглавен „Пълната последователност на човешкия геном“, в който попълват липсващите 8%.

Четене на повторенията

Това все още не беше съвсем пълен геном. Екипът беше използвал „малко трик, някои хора го нарекоха измама“, казва Айхлер.

Повечето от клетките в телата ни съдържат две копия на всяка хромозома: едно от майка ни, едно от баща ни. Това прави по-трудно повторното сглобяване на части от последователност в компютъра, тъй като двете копия имат малки различия по между си. За да преодолее тази трудност, T2T използва необичайни клетки, които имат две копия на ДНК на бащата, т.е. които са почти идентични.

Клетките идват от хидатидиформна бенка: вид неуспешна бременност. Яйцеклетките и сперматозоидите имат само едно копие от всяка хромозома, така че когато сперматозоидът опложда яйцеклетка, полученият ембрион има две копия. Понякога обаче яйцеклетката губи своето ДНК и след това се опложда. След това клетката дублира ДНК от спермата. Хидатидиформните бенки образуват опасни израстъци, нещо като ракови тумори, които трябва да бъдат отстранени.

Това е секвенцията на T2T. Едно от предположенията е, че те са прочели само половината геном, защото пълният геном има две копия на всичко. Въпреки това, тяхната последователност беше най-добрата налична. Т2Т добави над 200 милиона букви към човешкия геном и 2000 допълнителни гена.

Наличието на пълен геном означава, че най-накрая трябва да е възможно да се разбере какво правят дългите повтарящи се участъци от ДНК, казва Мига. „Сега, когато имаме тези карти, съм много развълнувана да разбера какво има там“, казва тя. „Каква е основната им функция? И ако нещо се обърка в тези дълги участъци, как това може да допринесе за разбирането на човешките болести и човешкото здраве?“

Повтарящата се ДНК включва много последователности, които могат да се движат в генома, наречена „мобилна ДНК“.

„Ние откриваме, че много от тези елементи са допринесли за еволюционната новост“, казва Рейчъл О’Нийл, молекулярен генетик в Университета на Кънектикът в Сторс. Много еволюционни скокове, включително плацентата, защо сме загубили опашките си и някои мозъчни функции „могат да бъдат приписани на тези типове мобилна ДНК“.

Междувременно Айхлер подчертава „сегментните дублирания“, при които дълги участъци от ДНК, които могат да включват множество гени, се дублират на едро. Тези последователности могат да се развиват необичайно бързо. „Това е като живо сребро“, казва Айхлер. „Те водят до появата на нови гени, които са специфични за човека“, казва той. „Тези гени допринасят непропорционално за различията, които ни правят хора.“ Докато човешкият геном и геномът на шимпанзето са 99% идентични, сегментните дублирания са един от начините, по които могат да възникнат важни разлики, а оригиналната последователност на човешкия геном ги е пропуснала до голяма степен.

Невролозите са показали, че някои от тези дублирани гени са важни за мозъчната функция – но генетиците не са могли да ги изследват в детайли, защото са били в повторения, които по-старите геноми не са уловили.
T2T последователността в крайна сметка беше публикувана в специален брой на списание Science през март 2022 г. Но дотогава екипът вече вървеше напред.

Голямата оставаща празнина беше Y хромозомата, която се среща само при мъже. Сперматозоидите обикновено носят само една полова хромозома – или X, или Y. Тъй като ДНК на хидатидиформен мол, използван от T2T, идва от сперматозоид, който случайно носи X хромозома, Y липсваше.

За да завърши наистина работата, екипът се нуждаеше от мъжки донор. Те се обърнаха към Леон Пешкин.

ДНК донор

Пешкин е системен биолог в Харвардското медицинско училище в Бостън, Масачузетс. Голяма част от неговите изследвания са фокусирани върху разбирането на механизмите на стареене и как да ги забавим. „Случайно вярвам, че продължителността на нормалния здрав човешки живот е напълно произволна, че може да бъде радикално удължена“, казва той. Геномиката е голяма част от работата му и той иска да я тласне напред. В резултат на това той е дарил своята ДНК на поредица от големи проекти за секвениране. „Моят геном е най-добре характеризираният индивидуален геном на планетата днес, [или] поне определено най-добре характеризираният публичен геном – не само на хората, на който и да е вид“, обяснява той.

Първото дарение на Пешкин е за Проекта за личен геном, стартиран през 2005 г. Неговата цел е да привлече доброволци, които да споделят своята ДНК публично, да даде възможност за по-бързи и ефективни изследвания – и да преодолее страховете за потенциални злоупотреби с геномни данни.

Десетилетие по-късно ДНК-то на Пешкин е използвано повторно от проекта Genome in a Bottle (GIAB). Това има за цел да секвенира геномите на клетъчни линии, които могат да се отглеждат неограничено дълго време в лаборатория, което улеснява изучаването на ефектите от мутациите. Геномът на Пешкин е желан, защото той също е записал и родителите си за проекта за личен геном, давайки на GIAB трио майка-баща-син.

Пешкин не съжалява за избора си, въпреки че споменава едно неудобно последствие. „Не мога да отида в [която и да е] лаборатория, за да работя с моите клетки, защото ако обезсмъртените клетки се озоват в мен, имунната ми система няма да ги разпознае“, потенциално изпращайки имунната му система в опасно претоварване. — Мога да умра от това. Той се радва, че неговата ДНК ще бъде секвенирана отново от T2T, този път от край до край.

През декември 2022 г. T2T пусна друга предпечатна хартия, описваща последователността от край до край на Y хромозомата на Пешкин. Тъй като има толкова много повторения и сложности, повече от половината от хромозомата липсва в предишните геноми. Новата последователност добавя над 30 милиона букви, включително десетки гени.

Сега екипът работи върху целия геном на Пешкин, включително и двете копия на всяка хромозома. „Завършихме последователността и сглобяването му“, казва Филипи. Полученият геном е „пълен и без пропуски“, а дублиращите се хромозоми са напълно разделени. Остава само проверка. „Има няколко грешки, които можем да видим, така че трябва да преминем през времеемката задача да преминем през всяка от тях“, казва Филипи. Той казва, че трябва да излезе тази година.

Пангеномът

Тогава това ли е? Ще бъде ли завършен човешкият геном тази година?

Отговорът е не, защото няма единен човешки геном. ДНК на всеки е различно и тези разлики имат значение. Няма да разберем наистина генома, докато нямаме запис за това как той варира от популация на популация.

Първоначалният HGP се опитва да се справи с това, като взема кръвни проби от множество хора, всички от Ню Йорк. Последователността, която беше публикувана, беше комбинация от всички тях. Всъщност те се опитаха да представят „среден“ геном – но един американски град не представя далеч пълния спектър на човешкото генетично разнообразие.

Ето защо много членове на консорциума T2T също се подписаха в друг проект: Референтния консорциум за човешкия пангеном. Целта е да се подредят стотици хора от цялата планета. Геномите няма да бъдат съвсем от край до край, защото те жертват малко пълнота в полза на автоматизирани методи, които ще им позволят да включат повече хора. През юли 2022 г. екипът пусна предпечат, описващ 47 секвенирани генома, които комбинираха, за да създадат чернова на пангеном.

Сега се създават партньорства с изследователи по целия свят, включително глобалния юг. „Не искаме да има само монопол или едно място, което да ръководи всичко това“, казва Айхлер. „Защото смятам, че е по-добре геномите, особено някои от тези популации, където не разбираме много добре генетичното разнообразие, да се правят в собствените им общности от техните собствени хора.“

Начинанието с пангенома вече дава резултати. Филипи е съавтор на проучване, публикувано през януари, което идентифицира механизъм за обща генетична аномалия. Около едно новородено бебе на 1000 има „робъртсонианска транслокация“, при която две хромозоми се сливат. Ако не се загуби генетичен материал, здравето на човека не е засегнато, но в някои случаи това може да доведе до състояния като синдрома на Даун.

Оказва се, че има запазен участък от ДНК – такъв, който има тенденция да бъде подобен при различните видове – който се намира на множество хромозоми. Това може да обърка механизмите на клетката за копиране на ДНК и да доведе до сливане на хромозомите. Решаващата последователност се намира в регион, който е едновременно повтарящ се и силно променлив между индивидите, така че не може да бъде изследван без множество геноми от край до край.

Констатации като тази обясняват защо много от екипа искат да видят последователността на дългото четене, въведена в болниците. „Моята крайна точка е, когато можем да възпроизведем тези T2T геноми за всеки пациент в клиниката“, казва Филипи. „Методологията, която разработваме, е насочена към това. Цената на секвенирането на генома пада драстично от десетилетия, така че проектът T2T струва малка част от това, което направи оригиналният HGP.

Ясно е, че все още имаме какво да научим от нашите геноми. Тъй като новите техники отключват повече от тайните на геномите и позволяват повече да бъдат секвенирани, не се вижда финалната линия. „Докато има хора, проектът за човешкия геном ще продължи“, казва О’Нийл.

Превод и редакция: Венета Николова