Avem în sfârșit un genom uman complet complet

Cercetătorii au descifrat în sfârșit o carte completă de instrucțiuni genetice umane, de la scoarță la scoartă.

Finalizarea genomului uman a fost anunțată de câteva ori în trecut, dar acestea erau de fapt schițe incomplete. „De data asta chiar suntem serioși”, spune Evan Eichler, genetician uman și investigator al Institutului Medical Howard Hughes de la Universitatea Washington din Seattle.

Genomul finalizat este prezentat într-o serie de lucrări publicate online pe 31 martie în Ştiinţă și Metodele naturii.

O echipă internațională de cercetători, inclusiv Eichler, a folosit o nouă tehnologie de secvențiere a ADN-ului pentru a descurca porțiuni repetitive de ADN care au fost redactate dintr-o versiune anterioară a genomului, folosită pe scară largă ca referință pentru ghidarea cercetării biomedicale.

Descifrarea acestor întinderi complicate adaugă aproximativ 200 de milioane de baze ADN, aproximativ 8% din genom, la manualul de instrucțiuni, raportează cercetătorii în Ştiinţă. Acesta este în esență un întreg capitol. Și este unul suculent, care conține primele analize ale brațelor scurte ale unor cromozomi, gene pierdute de mult și părți importante ale cromozomilor numite centromeri – unde mașinile responsabile de împărțirea ADN-ului prinde cromozomul.

„Unele dintre regiunile care lipseau se dovedesc de fapt a fi cele mai interesante”, spune Rajiv McCoy, genetician uman la Universitatea Johns Hopkins, care făcea parte din echipa cunoscută sub numele de Consorțiul Telomere-to-Telomere (T2T) care a reunit genomul complet. „Este interesant pentru că putem arunca prima privire în aceste regiuni și vedem ce putem găsi.” Telomerii sunt întinderi repetitive de ADN găsite la capetele cromozomilor. La fel ca șireturile pantofilor, aceștia pot ajuta la împiedicarea desfacerii cromozomilor.

Datele din efort sunt deja disponibile pentru ca alți cercetători să le exploreze. Iar unii, cum ar fi geneticianul Ting Wang de la Școala de Medicină a Universității Washington din St. Louis, au aprofundat deja. „A avea o referință completă a genomului îmbunătățește cu siguranță studiile biomedicale… Este o resursă extrem de utilă”, spune el. „Nu există nicio îndoială că aceasta este o realizare importantă.”

Dar, spune Wang, „genomul uman nu este încă complet”.

Pentru a înțelege de ce și ce ne spune acest nou volum al enciclopediei genetice umane, iată o privire mai atentă asupra reperului.

Ce au făcut cercetătorii?

Eichler are grijă să sublinieze că „aceasta este finalizarea A genomul uman. Nu există așa ceva ca cel genomul uman.” Oricare doi oameni vor avea porțiuni mari ale genomului lor, care variază de la foarte asemănătoare la practic identice și „porțiuni mai mici, care sunt extrem de diferite”. Un genom de referință îi poate ajuta pe cercetători să vadă unde diferă oamenii, ceea ce poate indica gene care pot fi implicate în boli. Având o vedere a întregului genom, fără lacune sau ADN ascuns, le poate oferi oamenilor de știință o mai bună înțelegere a sănătății umane, a bolii și a evoluției.

Genomul nou complet nu are lacune ca genomul uman de referință anterior. Dar încă are limitări, spune Wang. Vechiul genom de referință este un conglomerat de ADN a peste 60 de oameni (SN: 3/4/21). „Nici un singur individ sau o singură celulă de pe această planetă nu are acel genom.” Asta este valabil și pentru noul genom complet. „Este un genom fals fără ghilimele”, spune Wang, care nu a fost implicat în proiect.

Noul genom nu provine nici de la o persoană. Este genomul unei alunițe hidatiforme complete, un fel de tumoare care apare atunci când un spermatozoid fecundează un ovul gol și cromozomii tatălui sunt duplicați. Cercetătorii au ales să descifreze genomul complet dintr-o linie celulară numită CHM13 făcută dintr-una dintre aceste tumori neobișnuite.

Decizia a fost luată dintr-un motiv tehnic, spune geneticianul Karen Miga de la Universitatea din California, Santa Cruz. De obicei, oamenii primesc un set de cromozomi de la mama lor și un alt set de la tatăl lor. Deci, „toți avem două genomi în fiecare celulă”.

Dacă asamblarea unui genom este ca și cum ai asambla un puzzle, „aveți în esență două puzzle-uri în aceeași cutie care arată foarte asemănătoare între ele”, spune Miga, împrumutând o analogie de la un coleg. Cercetătorii ar trebui să sorteze cele două puzzle-uri înainte de a le pune împreună. „Genomii de la alunițele hidatiforme nu prezintă aceeași provocare. Este doar un puzzle în cutie.”

Cercetătorii au fost nevoiți să adauge cromozomul Y de la o altă persoană, deoarece spermatozoizii care au creat alunița hidatiformă aveau un cromozom X.

Chiar și a pune cap la cap un puzzle este o sarcină herculeană. Dar noile tehnologii care permit cercetătorilor să pună bazele ADN-ului – reprezentate de literele A, T, C și G – în ordine, pot scuipa întinderi de până la 100.000 de baze. Așa cum puzzle-urile pentru copii sunt mai ușor de rezolvat din cauza pieselor mai mari și mai puține, aceste „lecturi lungi” au făcut asamblarea fragmentelor de genom mai ușoară, mai ales în părțile repetitive, unde doar câteva baze ar putea distinge o copie de alta. Piesele mai mari au permis cercetătorilor să corecteze unele greșeli din vechiul genom de referință.

Ce au găsit?

Pentru început, ADN-ul proaspăt descifrat conține brațele scurte ale cromozomilor 13, 14, 15, 21 și 22. Acești „cromozomi acrocentrici” nu seamănă cu X frumos și îngrijit așa cum o fac restul cromozomilor. În schimb, au un set de brațe lungi și unul de brațe scurte nubby.

Lungimea brațelor scurte contrazice importanța acestora. Aceste brațe găzduiesc genele ADNr, care codifică ARNr, care sunt componente cheie ale mașinilor moleculare complexe numite ribozomi. Ribozomii citesc instrucțiuni genetice și construiesc toate proteinele necesare pentru a face celulele și corpurile să funcționeze. Există sute de copii ale acestor regiuni ADNr în genomul fiecărei persoane, o medie de 315, dar unii oameni au mai multe și alții mai puține. Ele sunt importante pentru a ne asigura că celulele au la îndemână fabrici de construire a proteinelor.

„Nu știam la ce să ne așteptăm în aceste regiuni”, spune Miga. „Am descoperit că fiecare cromozom acrocentric și fiecare ADNr de pe acel cromozom acrocentric aveau variante, modificări ale unității repetate care era privată pentru acel cromozom anume.”

Folosind etichete fluorescente, Eichler și colegii săi au descoperit că ADN-ul repetitiv lângă regiunile ADNr – și poate și ADNr – uneori schimbă locurile pentru a ateriza pe alt cromozom, raportează echipa în Ştiinţă. „Este ca niște scaune muzicale”, spune el. De ce și cum se întâmplă asta este încă un mister.

Genomul complet conține, de asemenea, 3.604 gene, inclusiv 140 care codifică proteine, care nu erau prezente în genomul vechi, incomplet. Multe dintre aceste gene sunt copii ușor diferite ale genelor cunoscute anterior, inclusiv unele care au fost implicate în evoluția și dezvoltarea creierului, autism, răspunsuri imune, cancer și boli cardiovasculare. A avea o hartă a locului în care se află toate aceste gene poate duce la o mai bună înțelegere a ceea ce fac ele și poate chiar a ceea ce îi face pe oameni umani.

Una dintre cele mai mari descoperiri poate fi structura tuturor centromerilor umani. Centromerii, porțiunile ciupite care dau celor mai mulți cromozomi forma lor caracteristică X, sunt punctele de asamblare pentru kinetochores, mașina celulară care divvies ADN-ul în timpul diviziunii celulare. Acesta este unul dintre cele mai importante locuri de muncă dintr-o celulă. Când merge prost, pot rezulta malformații congenitale, cancer sau moarte. Cercetătorii au descifrat deja centromerii muștelor de fructe și cromozomii umani 8, X și Y (SN: 5/17/19), dar aceasta este prima dată când cercetătorii au observat restul centromerilor umani.

Structurile sunt în mare parte repetări cap-coadă a aproximativ 171 de perechi de baze de ADN cunoscute sub numele de sateliți alfa. Dar acele repetări sunt încadrate în alte repetări, creând modele complexe care distinge fiecare centromer individual al cromozomului, descriu Miga și colegii în Ştiinţă. Cunoașterea structurilor îi va ajuta pe cercetători să învețe mai multe despre modul în care cromozomii sunt împărțiți și despre ceea ce uneori determină procesul.

imagine microscopică a cromozomilor roșii și a microtubulilor verzi din interiorul celulelor Hela care se divid
Cercetătorii au descifrat acum structura tuturor centromerilor umani – porțiunile înfipte ale cromozomilor (roșu în această imagine a celulelor Hela care se divid) unde structurile numite microtubuli (verzi) se atașează și trag, asigurând o distribuție adecvată a ADN-ului în celule.Matthew Daniels/Wellcome Collection (CC BY 4.0)

Cercetătorii au acum și o hartă mai completă a semnelor epigenetice – etichete chimice pe ADN sau proteine ​​asociate care pot schimba modul în care genele sunt reglementate. Un tip de semn epigenetic, cunoscut sub numele de metilarea ADN-ului, este destul de abundent în centromeri, cu excepția unui punct din fiecare cromozom numit regiunea de scufundare centromerică, raportează Winston Timp, inginer biomedical la Universitatea Johns Hopkins și colegii săi. Ştiinţă.

Acele scufundări sunt locul în care kinetocorii captează ADN-ul, au descoperit cercetătorii. Dar nu este încă clar dacă scăderea metilării determină asamblarea mașinilor celulare în acel loc sau dacă asamblarea utilajelor duce la niveluri mai scăzute de metilare.

Examinarea tiparelor de metilare a ADN-ului în ADN-ul mai multor persoane și compararea acestora cu noua referință a arătat că scăderile apar în locuri diferite în centromerii fiecărei persoane, deși consecințele nu sunt cunoscute.

Aproximativ jumătate dintre genele implicate în evoluția creierelor mari și ridate ale oamenilor se găsesc în mai multe copii în părțile repetitive nou descoperite ale genomului (SN: 2/26/15). Suprapunerea hărților epigenetice pe referință a permis cercetătorilor să-și dea seama care dintre multele copii ale acelor gene au fost activate și dezactivate, spune Ariel Gershman, genetician la Școala de Medicină a Universității Johns Hopkins.

„Aceasta ne oferă mai multe informații despre care dintre ele sunt de fapt importante și joacă un rol funcțional în dezvoltarea creierului uman”, spune Gershman. „A fost interesant pentru noi, pentru că nu a existat niciodată o referință suficient de precisă în acestea [repetitive] regiuni pentru a spune care genă a fost care și care sunt activate sau dezactivate.”

Ce urmează?

O critică la adresa cercetării genetice este că s-a bazat prea mult pe ADN-ul de la oameni de origine europeană. CHM13 are, de asemenea, moștenire europeană. Dar cercetătorii au folosit noua referință pentru a descoperi noi modele de diversitate genetică. Folosind datele ADN colectate de la mii de oameni din medii diverse care au participat la proiecte de cercetare anterioare în comparație cu referința T2T, cercetătorii au găsit mai ușor și mai precis locuri în care oamenii diferă, raportează McCoy și colegii. Ştiinţă.

Consorțiul Telomere-to-Telomere a făcut echipă acum cu Wang și colegii săi pentru a realiza genomuri complete de 350 de oameni din medii diverse (SN: 2/2/21). Acest efort, cunoscut sub numele de proiectul pangenom, este gata să dezvăluie unele dintre primele sale descoperiri la sfârșitul acestui an, spune Wang.

McCoy și Timp spun că poate dura ceva timp, dar în cele din urmă, cercetătorii pot trece de la utilizarea genomului de referință vechi la referința T2T mai completă și mai precisă. „Este ca și cum ai face upgrade la o nouă versiune de software”, spune Timp. „Nu toată lumea va dori să o facă imediat.”

Genomul uman finalizat va fi, de asemenea, util pentru cercetătorii care studiază alte organisme, spune Amanda Larracuente, un genetician evoluționist la Universitatea Rochester din New York, care nu a fost implicat în proiect. „Ceea ce sunt încântat este de tehnicile și instrumentele dezvoltate de această echipă și de posibilitatea de a le aplica pentru a studia alte specii.”

Eichler și alții au deja planuri de a realiza genomuri complete ale cimpanzeilor, bonoboilor și altor maimuțe mari pentru a afla mai multe despre modul în care oamenii au evoluat diferit față de maimuțele. „Nimeni nu ar trebui să vadă acest sfârșit”, spune Eichler, „ci o transformare, nu numai pentru cercetarea genomică, ci și pentru medicina clinică, deși aceasta va dura ani de zile pentru a se realiza.”