Kā tika sekvencēts cilvēka genoms?

Abas komandas izmantoja vienu un to pašu pamatmetodi, ko deviņdesmitajos uzskatīja par zelta standartu. Tās princips ir tāds, ka DNS kopijas veidošana tiek apzināti pārtraukta nejaušās vietās, un katrs pārtraukums tiek iezīmēts ar krāsu atkarībā no tā, kurš burts bijis pēdējais.

Rezultātā rodas dažāda garuma fragmentu kopa, kuru sašķiro pēc garuma. Nolasot krāsu secību no īsākā līdz garākajam fragmentam, iegūst sākotnējo burtu secību.

Šī metode ir precīza, bet vienā reizē nolasa tikai salīdzinoši īsu posmu. Tieši šis ierobežojums noteica visu projekta uzbūvi: genoms bija jāsadala neskaitāmos gabalos, katrs jāpavairo baktērijās un jānolasa atsevišķi.

Atšķirība starp abām komandām nebija metodē, ar ko nolasa burtus, bet gan tajā, kā tiek risināta salikšanas problēma. Viena puse vispirms izveidoja karti un tikai pēc tam lasīja, otra lasīja uzreiz un kartēja ar datora palīdzību.

Projekta norise nebija vienmērīga. Lielākā daļa faktiskās nolasīšanas notika pēdējos gados, kad metodes un automatizācija jau bija ievērojami uzlabojušās.

1. 1990. gads: sākas Cilvēka genoma projekts kā starptautisks konsorcijs.
2. Deviņdesmitie gadi: tiek veidotas genoma kartes un pilnveidota automatizēta sekvencēšana.
3. 1998. gads: privāts uzņēmums paziņo par savu, uz visa genoma smalcināšanu balstītu pieeju.
4. 2000. gada jūnijs: abas puses kopīgi paziņo par genoma melnraksta pabeigšanu.
5. 2001. gada februāris: publicēti abi zinātniskie apraksti divos dažādos žurnālos.
6. 2003. gads: konsorcijs paziņo par projekta pabeigšanu, atstājot nelielus, tolaik nenolasāmus apvidus.
7. 2022. gads: ar jaunām, garo nolasījumu metodēm tiek publicēts pirmais bez robiem nolasītais cilvēka genoms.

Paziņojums par pabeigšanu attiecās uz to genoma daļu, kuru tolaik bija iespējams nolasīt un droši salikt. Ārpus tās palika apvidi ar ļoti gariem, gandrīz identiskiem atkārtojumiem: centromēru apkaimes, hromosomu īsie pleci, kuros atrodas ribosomu gēnu kopas, un daļa Y hromosomas.

Šie apvidi ilgu laiku tika uzskatīti par mazsvarīgiem, jo tajos maz olbaltumvielas kodējošu gēnu. Vēlāk kļuva skaidrs, ka tie ir būtiski hromosomu sadalīšanai dalīšanās laikā un ka to izmaiņas ir saistītas ar dažām slimībām.

Problēmu atrisināja nevis lielāks apjoms, bet cita veida nolasīšana. Jaunās metodes spēj vienā piegājienā nolasīt daudz garākus fragmentus, kas pārsniedz atkārtojuma garumu, un tāpēc ļauj tos droši novietot. Tieši tas padarīja iespējamu genoma pabeigšanu bez robiem.

Mūsdienu sekvencēšana vairs neizmanto baktēriju kolonijas un manuālu kartēšanu. Paraugs tiek sagatavots dažu stundu laikā, un iekārta vienlaikus nolasa milzīgu skaitu fragmentu, kurus salīdzina ar jau zināmo atsauces genomu.

Izmaksas un laiks ir samazinājušies tik ļoti, ka genoma vai tā kodējošās daļas nolasīšana ir kļuvusi par ikdienas diagnostikas izmeklējumu retu slimību, iedzimtu vielmaiņas traucējumu un audzēju gadījumā.

Tomēr sekvencēšana šodien ir vienkāršākā daļa. Grūtākais ir interpretācija: atrast, kura no daudzajām atrastajām atšķirībām ir slimības cēlonis un kura ir nekaitīgs variants. Tieši tāpēc šādus izmeklējumus vienmēr nozīmē un izskaidro ģenētiķis, nevis nodod pacientam kā atbildi bez konteksta.

Atsauces genoms pats par sevi nav ārstēšana, bet tas ir karte, bez kuras lielākā daļa mūsdienu ģenētikas nebūtu iespējama.

• Retu iedzimtu slimību diagnostika, kurā iepriekš gadiem ilga meklēšana tagad bieži aizņem nedēļas.
• Audzēju molekulārā izmeklēšana, kas nosaka, kurš mērķēts medikaments varētu darboties.
• Zāļu panesamības izvērtēšana, jo iedzimtas atšķirības maina, cik ātri organisms zāles pārstrādā.
• Infekciju izcelsmes izsekošana, salīdzinot mikroorganismu genomus.
• Jaundzimušo skrīninga paplašināšana un ģimenes plānošanas konsultācijas.

Pirmais pārpratums ir domāt, ka tika nolasīts kāda konkrēta cilvēka genoms. Sākotnējais atsauces genoms tika salikts no vairāku anonīmu donoru materiāla, un tas nav neviena atsevišķa cilvēka precīzs apraksts, bet gan kopīgs paraugs, pret kuru salīdzināt pārējos.

Otrais ir priekšstats, ka genoms ir gēnu saraksts. Olbaltumvielas kodējošie gēni aizņem tikai nelielu genoma daļu; pārējais satur regulējošās secības, kas nosaka, kad un kur gēni tiek nolasīti, kā arī plašus atkārtojumu apvidus. Vienā no lielākajiem projekta pārsteigumiem izrādījās, ka olbaltumvielas kodējošo gēnu skaits ir daudz mazāks, nekā pirms tam tika prognozēts.

Trešais ir cerība, ka genoma nolasīšana pati par sevi izskaidros slimības. Lielākā daļa izplatīto slimību ir daudzu gēnu un dzīvesveida kopīgs rezultāts, un atsevišķas genoma vietas ietekme parasti ir neliela. Viena gēna slimībās situācija ir citāda, un tieši tur genoma nolasīšana ir devusi vislielāko tiešo labumu.

Vismazāk pamanītā projekta sekas ir nevis genoms, bet datu koplietošanas princips. Konsorcijs vienojās publiskot jaunus datus praktiski uzreiz pēc to iegūšanas, nevis pēc publikācijas. Šī prakse kļuva par standartu daudzās bioloģijas jomās un ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc turpmākie lielie bioloģijas projekti spēja tik ātri virzīties uz priekšu.

Otra mazāk zināmā puse ir tā, ka viens atsauces genoms nav pietiekams. Tas atspoguļo tikai dažu cilvēku variantus, un pasaules populāciju daudzveidība tajā ir atspoguļota nevienmērīgi. Tāpēc pēdējos gados tiek veidota atsauce, kas apvieno daudzu cilvēku genomus no dažādām pasaules daļām, lai retas vai reģionāli izplatītas izmaiņas netiktu kļūdaini uzskatītas par novirzēm.

Trešā doma attiecas uz laiku. Lielākā daļa faktiskās nolasīšanas notika projekta pēdējos gados, nevis vienmērīgi visā tā gaitā. Tas ir tipisks piemērs tam, kā lieli zinātnes projekti norit: gadiem ilgs darbs pie metodēm un infrastruktūras, kas no malas izskatās kā stagnācija, un tad ļoti straujš rezultātu pieplūdums, kad rīki beidzot ir gatavi.