Vor einem Jahrzehnt hat ein internationales Forscherteam ehrgeizige Anstrengungen unternommen, um die 3 Milliarden Buchstaben genetischer Informationen zu lesen, die in jeder menschlichen Zelle gefunden wurden. Das Programm, bekannt als Human Genome Project, lieferte die Blaupause für das menschliche Leben, eine Leistung, die mit der Landung eines Mannes auf dem Mond verglichen wurde.
Dr. Eric D. Green war von Anfang an dabei und hat einige der im Projekt verwendeten Schlüsseltechnologien weiterentwickelt. Zu dieser Zeit war er Postdoktorand und wohnhaft in Pathologie an der Washington University in St. Louis. Er schnitzte seine 5 Prozent des Genoms heraus und konzentrierte sich auf die Kartierung der DNA von Chromosom 7. Heute ist Green Direktor des National Human Genome Research Institute, das das Verständnis des menschlichen Genoms durch Genomforschung fördert.
Gehen wir zurück auf die Mitte bis Ende der 1980er Jahre, als die Idee für das Humangenomprojekt zum ersten Mal entwickelt wurde. Was war damals die Motivation?
Es kommt darauf an, wen Sie fragen. Unterschiedliche Menschen hatten unterschiedliche Motivationen. Denken Sie daran, dass die 70er und frühen 80er Jahre die Ära der molekularbiologischen Revolution waren. Es gab bedeutende Fortschritte bei den Methoden, die es uns ermöglichten, DNA im Labor zu isolieren und zu untersuchen.
In den USA beispielsweise war das Energieministerium aufgrund des Interesses an Mutationen und des Mutationsprozesses, der mit einigen Energieformen wie der Kernenergie einhergeht, sehr interessiert an dem Gedanken, das Genom zu untersuchen.
Wenn Sie zu Orten wie den National Institutes of Health gehen oder sich biomedizinische und gesundheitsbezogene Forscher ansehen, waren sie sehr daran interessiert, die genetischen Grundlagen von Krankheiten aufzuklären. Unter den vielen genetisch bedingten Krankheiten befand sich natürlich Krebs.
Viele andere Menschen im biomedizinischen Forschungsspektrum - selbst diejenigen, die an Modellorganismen wie Fliegen, Würmern und Hefen arbeiten - erkannten, dass wir uns überlegen könnten, wie wir komplexe Genome umfassend untersuchen können, angefangen bei Fliegen, Würmern und Hefen bis hin zur Arbeit Auf dem Weg zum Menschen liefert es grundlegende Informationen zum Verständnis der Funktionsweise des Genoms.
Es gab ein Zusammentreffen vieler verschiedener Ideen, die vor dem Hintergrund der inkrementellen, aber wichtigen technologischen Fortschritte den Anschein erweckten, dass das Problem der Sequenzierung des menschlichen Genoms und der Bestimmung der Größenordnung von 3 Milliarden Buchstaben realisierbar war.
Woher kam das Material für das Genomprojekt? Wessen Genom war das?
Als das Genomprojekt begann, war es noch ziemlich stückweise. Verschiedene Leute stellten verschiedene Sammlungen und DNA-Fragmente her, die Bibliotheken genannt wurden und nur DNA-Klonstücke sind. Sie würden es von jedem machen: Manchmal wäre es der Laborleiter, manchmal der Postdoktorand oder der Doktorand. Sie haben sich damals nur DNA geholt, als es wirklich keine Auswirkungen darauf gab.
Als es dann aber endlich Zeit wurde, die Bibliotheken zu erstellen, die für die Sequenzierung des menschlichen Genoms durch das Human Genome Project verwendet werden sollten, war die Person, die am besten für die Erstellung dieser Bibliotheken geeignet war, ein Wissenschaftler, der am Roswell Park Cancer Institute arbeitete in Buffalo, New York. [Das Team] erhielt die Einwilligung von ungefähr 10 oder 20 anonymen Blutspendern und wählte dann zufällig einen aus, und das war die Person. Ungefähr 60 Prozent der durch das Human Genome Project erzeugten menschlichen Genomsequenz stammten von einem Blutspender in Buffalo, New York.
Aber weißt du was, es ist egal. Wenn Sie die durch das Human Genome Project erzeugte menschliche Genomsequenz durchgehen, ist dies wie ein Mosaik. Sie könnten hunderttausend Briefe schreiben und es könnte diese eine Person aus Buffalo sein. Es könnte sein, dass Sie die nächsten hunderttausend gehen und es wird jemand anderes sein. Und die nächsten hunderttausend, jemand anderes. Alles was als Referenz diente. Und da alle Menschen auf Sequenzebene zu 99, 9 Prozent identisch sind, muss diese erste Sequenz keine echte Person sein. Es kann nur eine hypothetische Referenz einer Person sein.
Warum haben Sie sich von all diesen Informationen für Chromosom 7 entschieden (das menschliche Genom hat 23 Chromosomen)?
Es war etwas willkürlich. Wir wollten ein Chromosom auswählen, das nicht zu groß ist. Wir wollten keine auswählen, die zu klein war. Wir wussten, dass es eine Menge Arbeit geben würde, also haben wir ein mittelgroßes Chromosom ausgewählt.
Wir wollten keine auswählen, an der bereits viele Leute gearbeitet haben. Zu diesem Zeitpunkt war das berühmteste Gen auf Chromosom 7 das Mukoviszidose-Gen, das 1989 entdeckt wurde. Wir hatten tatsächlich einen Teil dieser Region isoliert und machten einige Studien in einer Pilotmethode.
Die Wahrheit ist, wir haben es ausgewählt, weil es nicht zu groß, nicht zu klein und nicht zu voll war. Das war ein willkürlicher Anfang. Bis zum Ende des Genomprojekts wurden die meisten Studien genomweit durchgeführt.
Wie hat sich die Arbeit während der Laufzeit des Projekts verändert?
Die ganze Geschichte der Genomik ist eine Geschichte der Technologieentwicklung. Wenn Sie nachvollziehen, wo die enormen Fortschritte gemacht wurden, war jeder von ihnen mit einem Anstieg der Technologie verbunden. Zu Beginn des Genomprojekts kam es zu einem Anstieg, da wir bessere Möglichkeiten hatten, große DNA-Stücke zu isolieren.
Als wir Genome kleinerer Organismen wie Drosophila- Fruchtfliegen sequenzierten, haben wir den Prozess der Sequenzierung im Grunde genommen industrialisiert und ihn mehr und mehr automatisiert.
Als das Genomprojekt begann, lautete die Idee: „Lasst uns die Genome von Fliegen, Würmern und Hefen, all diesen kleineren Organismen, nach der Methode des Tages sequenzieren“. Diese Methode wurde 1977 von Fred Sanger entwickelt Ich würde den Beschleuniger nicht drängen, um mit der Sequenzierung des menschlichen Genoms zu beginnen, bis eine revolutionäre neue Sequenzierungsmethode verfügbar wäre. Es wurden also viele Anstrengungen unternommen, um neue verrückte Wege zur Sequenzierung von DNA zu entwickeln.
Als es um 1997 oder 1998 an der Zeit war, über eine Sequenzierung des menschlichen Genoms nachzudenken, sagten alle: „Vielleicht müssen wir nicht auf eine revolutionäre Methode warten, vielleicht haben wir die altmodische Methode schrittweise verbessert genug, dass es verwendet werden kann “, und genau das wurde beschlossen.
Das heißt, seit dem Genomprojekt haben revolutionäre neue Sequenzierungstechnologien das Gesicht der Genomik verändert, die etwa 2005 auf den Markt kamen.
Wie haben diese Verbesserungen die Kosten und den Zeitaufwand für die Sequenzierung verändert?
Das Humangenomprojekt benötigte sechs bis acht Jahre für die aktive Sequenzierung, und im Hinblick auf die aktive Sequenzierung gaben sie etwa eine Milliarde Dollar aus, um die erste humane Genomsequenz herzustellen. Am Tag des Endes des Genomprojekts fragten wir unsere Sequenzierungsgruppen: „Okay, wenn Sie ein zweites menschliches Genom sequenzieren würden, hypothetisch, wie lange würde es dauern und wie viel würde es kosten?“ Mit einer Rückseite des Umschlags Sie sagten: "Wow, wenn Sie uns weitere 10 bis 50 Millionen Dollar geben würden, könnten wir das wahrscheinlich in drei bis vier Monaten tun."
Aber jetzt, wenn Sie dorthin gehen, wo wir heute sind, können Sie ein menschliches Genom in ein oder zwei Tagen sequenzieren. Bis Ende dieses Jahres wird es ungefähr einen Tag dauern. Und es kostet nur etwa 3.000 bis 5.000 Dollar.
Was waren die wichtigsten Erkenntnisse aus dem ersten und den folgenden Genomen?
Es gibt neue Erkenntnisse, die jeden Tag kommen. In den ersten 10 Jahren, in denen wir die menschliche Genomsequenz vor uns haben, haben wir, glaube ich, Tag für Tag mehr und mehr Informationen über die Funktionsweise des menschlichen Genoms gesammelt. Aber wir sollten uns darüber im Klaren sein, dass wir selbst nach 10 Jahren erst am Anfang der Interpretation dieser Sequenz stehen. In Jahrzehnten werden wir es immer noch interpretieren und neu interpretieren.
Einige der frühesten Dinge, die wir gelernt haben, zum Beispiel: Wir haben viel weniger Gene als manche Leute vorhergesagt hatten. Als das Genom begann, sagten viele Menschen voraus, dass der Mensch wahrscheinlich 100.000 Gene besitzt und wesentlich mehr Gene als andere Organismen, insbesondere einfachere Organismen. Es stellt sich heraus, dass das nicht stimmt. Es stellt sich heraus, dass wir eine viel niedrigere Genzahl haben. In der Tat sind wir wahrscheinlich eher 20.000 Gene. Und das sind nur ein paar tausend mehr als Fliegen und Würmer. Unsere Komplexität liegt also nicht in unserer Gennummer. Unsere Komplexität ist anderswo.
Die andere Überraschung kam, als wir damit begannen, andere Säugetiere zu sequenzieren - insbesondere das Mausgenom, das Rattengenom, das Hundegenom usw. - und inzwischen haben wir 50, 60, 70 solcher Genome sequenziert. Sie reihen diese Genomsequenzen in einem Computer aneinander und sehen, wo sich Sequenzen befinden, die sehr konserviert sind, mit anderen Worten in zig Millionen Jahren evolutionärer Zeit, in denen sich die Sequenzen überhaupt nicht geändert haben. Hochentwickelte konservierte Sequenzen weisen fast sicher auf funktionelle Sequenzen hin. Dies sind Dinge, die sich im Leben nicht ändern wollen, und deshalb bleiben sie gleich, weil sie eine wichtige Grundfunktion erfüllen, die für die Biologie notwendig ist. Wir gingen in das Genomprojekt ein und dachten, dass die Mehrheit der am besten konservierten Regionen, die funktionell wichtig sind, in den Genen liegen - den Teilen des Genoms, die direkt für Proteine kodieren. Es stellt sich heraus, dass sich die Mehrheit der am höchsten konservierten und unvermeidlich funktionellen Sequenzen nicht in Protein-kodierenden Regionen befindet; Sie befinden sich außerhalb der Gene.
Also, was machen sie? Wir kennen nicht alle. Wir wissen jedoch, dass es sich bei vielen von ihnen im Grunde genommen um Stromkreisschalter handelt, wie Dimmer für ein Licht, die bestimmen, wo und wann und wie viel ein Gen eingeschaltet wird. Beim Menschen ist es viel komplizierter als bei niederen Organismen wie Fliegen und Würmern. Unsere biologische Komplexität liegt also nicht so sehr in unserer Genzahl. Es sind die komplexen Schalter, die wie Dimmer regeln, wo, wann und wie viele Gene eingeschaltet werden.
Was müssen wir noch herausfinden?
Wenn Sie darüber nachdenken, wie das Genom funktioniert, denken Sie darüber nach, wie es gemeinsam für uns alle funktioniert. Der andere große Schwerpunkt in der Genomik - insbesondere in den letzten 10 Jahren - besteht darin, zu verstehen, wie sich unsere Genome unterscheiden. Dort können Sie also die 0, 1 Prozent unserer Genome betonen, die sich voneinander unterscheiden und wie diese Unterschiede zu unterschiedlichen biologischen Prozessen führen. Das Verstehen von Variationen ist also sehr, sehr wichtig und korreliert diese Variation dann mit verschiedenen Konsequenzen, von denen die Krankheit einen großen Teil ausmacht.
Es gab bemerkenswerte, nur wirklich bemerkenswerte Fortschritte. Wir kennen jetzt die genomische Basis für fast 5.000 seltene genetische Krankheiten. Als das Genomprojekt begann, gab es nur ein paar Dutzend Krankheiten, bei denen wir verstanden haben, was die Mutation für diese Krankheit verursachte. Das ist ein großer Unterschied. Wir kennen jetzt viele, viele Hunderte und Hunderte von Regionen des menschlichen Genoms, die Varianten enthalten - wir wissen noch nicht, welche Varianten -, die ein Risiko für kompliziertere genetische Krankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes und Asthma, Herz-Kreislauf-Erkrankungen usw. bergen .
Wir haben uns von einem völligen Mangel an Wissen darüber, wo im Genom nach diesen Varianten gesucht werden soll, auf sehr diskrete Regionen verlagert. Daher ist dies ein großer Schwerpunkt in der Genomik und es wird versucht zu verstehen, welche Varianten für Krankheiten relevant sind und was man dagegen tun kann.
