Изследователите най-после успяха да дешифрират пълната книга с инструкции за човешките гени от начало до край. Завършването на човешкия геном е било обявено няколко пъти в миналото, но това всъщност са били непълни чернови.

„Този път сме сигурни“, казва Евън Ейхлер, генетик и изследовател в Медицинския институт Хауърд Хюз към Вашингтонския университет в Сиатъл.  

Целият човешки геном е представен в поредица статии, публикувани онлайн на 31 март в  Science и Nature Methods. 

Екип от международни изследователи, включително самия Ейхлер, са използвали нова  технология за секвениране на ДНК, за да разплетат повтарящи се участъци от ДНК от по-ранна версия на секвенирания геном, която е широко използвана като референция за биомедицински изследвания.

В статия в Science се обяснява как дешифрирането на тези по-пипкави участъци добавя около 200 милиона ДНК бази или 8% от генома, които преди не са били известни. Това може да се разгледа като нова добавена „глава“ в „книгата“ за човешкия геном. Освен намирането на тази нова „глава“ самото съдържание ни разкрива и първи по рода си разбирания към късите рамена на някои хромозоми, отдавна изгубени гени и важни части на хромозмите, наречени центромери, които захващат хромозомата и са отговорни за  разделянето на ДНК. 

„Някои от регионите, които са липсвали се оказват доста интересни“, казва Раджив Маккой, генетик от университета Джон Хопкинс, който е част от екипа още известен като Telomere-to-Telomere (т2т).

„Вълнуващо е, защото надникваме за първи път в тези участъци на ДНК и виждаме какво можем да открием.“ Теломерите са повтарящи се участъци на ДНК, намиращи се в края на хромозомите. Подобно на връзките на обувките, те предпазват хромозомите от разплитане.
Но според думите на Уанг „Човешкият геном все още не е напълно завършен“. 

Все пак, за да разберем защо и какво ни казва тази нова част от човешката генетична енциклопедия, нека хвърлим един по-дълбок поглед. 

Какво направиха изследователите? 

Ейхлер внимателно уточнява че „това е завършването на човешкия геном. Няма такова нещо като човешки геном“. Двама човека, независимо кои, притежават големи части от генома, които ще варират от много подобни до почти идентични и „малки части, които ще са изключително различни“. 

Един референтен геном може да помогне на изследователите да видят къде хората се различават, което може да посочи и гени, които взимат участие в някои заболявания. Разглеждането на целия геном, без пропуски или скрита ДНК, позволява на учените да имат по-добро разбиране за човешкото здраве, за заболяванията и еволюцията.  

Наскоро завършеният геном няма пропуски като предишният човешки референтен геном, но все още има ограничения, споделя Уанг. Старият референтен геном е конгломерат от ДНК на повече от 60 души.
„Нито един индивид или клетка на тази планета не притежава този геном“, което важи и за новият секвениран геном. „Това е фалшив геном“ казва Уанг, който самия не е участвал в проекта.
Този новосеквениран геном също не идва от един човек. Това е геномът на цяла хидатидиформна бенка, вид тумор, който възниква, когато спермата опложда празна яйцеклетка и хромозомите на бащата се дублират.

Изследователите избраха да дешифрират целият геном на клетъчна линия СНМ13 получена от един от тези необичайни тумори.  

Решението за това е взето по техническа причина, споделя генетикът Карен Мига от Калифорнийския университет в Санта Круиз. Обикновено хората получават една част от хромозомите си от майката и другата част – от бащата. Следователно „всички имаме два генома във всяка клетка“.

Ако сравним сглобяването на геном със сглобяването на пъзел, „реално имате два пъзела в една кутия, които изглеждат много подобни един на друг“, казва Мига. Изследователите ще трябва да сортират двата пъзела, преди да ги сглобят. „Геномите от хидратидиформни бенки премахват това предизвикателство – това е само един пъзел в кутията“. Изследователите трябваше да добавят Y хромозомата от друг човек, тъй като спермата, създала тази хидратидиформна бенка носи Х хромозома.  

Дори подреждането на един пъзел е трудна задача, но новите технологии, които позволяват на изследователите да подредят ДНК базите – представени от буквите А, Т, С  и G – в ред, може да изгради участъци с дължина повече от 100 000 бази. Точно като детските пъзели, които имат по-големи по размер и по-малко по брой парчета, са по-лесни за решаване, тези „дълги четения“ направиха сглобяването на частите на генома по-лесно, особено в повтарящите се части, където само няколко бази могат да разграничат едно  копие от друго. По-големите парчета също позволиха на изследователите да коригират някои грешки в стария референтен геном. 

Какво намериха учените? 

Като за начало, новата дешифрирана ДНК съдържа късите на рамена на хромозоми 13, 14,  15, 21 и 22. Тези акроцентрични хромозоми не приличат на хубави, спретнати Х-чета, както другите хромозоми. Вместо това те имат един чифт дълги рамена и друг – тънки къси рамена.
Дължината на късите рамена е от голямо значение. Тези рамена са дом на рДНК гени, които кодират рРНК-и, които са ключови компоненти на рибозомите, които са сложни молекулярни машини. Рибозомите разчитат генетичните инструкции и изграждат всички нужни протеини на клетката, необходими за нейните функции. При всеки човек има стотици копия на тези рДНК участъци в генома, средно към 315 копия, но има и хора с повече копия, и други – с по-малко. Те са важни, за да се гарантира, че клетките имат готови „фабрики“ за изграждане на протеини.  

„Не знаехме какво да очакваме от тези участъци“ казва Мига. „Открихме, че всяка акроцентрична хромозома и всяка рДНК на тази акроцентрична хромозома има варианти, промени в повторната единица, която е индивидуална за тази конкретна хромозома.“ 

Използвайки флуоресцентни маркери, Ейхлер и неговите колеги откриха, че повтарящата се ДНК до участъците на рДНК, а може би и самата рДНК, понякога сменят местата си, за да се озоват на друга хромозома, съобщава екипът в “Science”. „Това е като музикални столове.“ казва самия Ейхлер.
Новият пълен геном също така съдържа 3604 гена, включително 140, които кодират протеини, които не присъстват в стария, непълен геном. Много от тези гени са малко по различни копия на известни преди това гени, включително някои, които са замесени в еволюцията и развитието на мозъка, аутизъм, имунни реакции, рак и сърдечно-съдови заболявания. Наличието на карта на това къде се намират всички тези гени може да доведе до по-добро разбиране на това какво правят и може би дори на това какво прави хората  хора. 

Едно от най-големите открития може да е структурата на всички човешки центромери. Центромерите, прищипани части, които придават на повечето хромозоми така характерната за тях Х форма, са сборните точки за кинетохорите клетъчната машина, която разделя ДНК по време на клетъчното делене. Разделянето на генетичния материал е една от най-важната задача в клетката. Когато се обърка, може да се стигне до вродени дефекти, рак или да има фатален край. Изследователите вече бяха дешифрирали центромерите на плодовите мушици и човешките 8, Х и Y хромозоми, но това е първият път, когато изследователите успяха да хвърлят поглед над останалите човешки центромери.  

Структурите са предимно повторения от главата до опашката на около 171 базови двойки ДНК, известни като алфа сателити. Тези повторения са сгушени в други повторения, създавайки сложни модели, които разграничават индивидуалния центромер на всяка хромозома, описват Мига и колегите в Science. Познаването на тези структури ще помогнат на изследователите да разберат повече за това как се разделят хромозомите и какво може да попречи на този процес.
Изследователите вече разполагат и с по-пълна карта на епигенетичните белези – химични маркери върху ДНК или свързани протеини, които могат да променят начина, по който се регулират гените. Един епигенетичен белег, който е известен като ДНК метилиране, досега изобилен в центромерите, с изключение на едно място във всяка хромозома, наречена центромерна област на потапяне, докладва Уинстън Тимп, биомедицински инженер от университета Джон

Хопкинс и колегите му в Science.

Изследователите открили, че тези места на потапяне (спадове) са местата, където кинетохорите захващат ДНК. Но все още не е ясно дали спадът в метилирането кара клетъчните машини да се сглобяват на това място или сглобяване на самите машини води до по-ниски нива на метилиране.
Изследването на моделите на метилиране в ДНК на множество хора и сравняването им с  новата референтна ДНК разкри, че спадовете се появяват на различни места в центромерите на всеки човек, въпреки че последствията от това не са известни. 

Около половината гени, които са замесени в еволюцията на човешкия мозък, се намират в множество копия в новооткритите повтарящи се части на генома. Наслагването на епигенетичните карти върху справката позволи на изследователите да разберат кои от многото копия на тези гени са включени и изключени, казва Ариел Гершман, генетик от Медицинския факултет на университета Джон Хопкинс. 

„Това ни дава малко повече представа за това кои от тях всъщност са важни и играят функционална роля в развитието на човешкия мозък“, казва Гершман. „Това беше вълнуващо за нас, защото никога не е имало достатъчно точна справка в тези [повтарящи се] региони, за да се каже кой ген кой е и кои са включени или изключени.“ 

Какво следва оттук нататък? 

Една от критиките към генетичните изследвания е, че се разчита твърде много на ДНК от хора от европейски произход. CHM13 също има европейско наследство, но изследователите са използвали новата геномна референция, за да открият нови модели на генетично разнообразие. Използвайки ДНК данни, събрани от хиляди хора с различен произход, които са участвали в по-ранни изследователски проекти, в сравнение с  референцията T2T, изследователите по-лесно и точно откриха места, където хората се различават, съобщават Маккой и колеги в Science. 

Консорциумът Telomere-to-Telomere сега се обедини с Уанг и неговите колеги, за да направи пълни геноми на 350 души от различен произход. Това усилие, известно като проект за пангеном, е готово да разкрие някои от първите си открития по-късно тази година, казва Уанг.

Маккой и Тимп казват, че може да отнеме известно време, но в крайна сметка изследователите може да преминат от използването на стария референтен геном към по-пълен и точен референтен геном T2T.
„Това е като надграждане до нова версия на софтуера“, казва Тимп. „Не всеки ще иска да го направи веднага.“ 

Завършеният човешки геном ще бъде полезен и за изследователи, изучаващи други организми, казва Аманда Ларакуенте, еволюционен генетик от университета в Рочестър в Ню Йорк, която не е участвала в проекта. „Това, от което съм развълнувана, са техниките и инструментите, които този екип е разработил, и възможността да ги прилагам за изучаване на други видове.“ 

Ейхлер и други вече имат планове да направят пълни геноми на шимпанзета и други големи маймуни, за да научат повече за това как хората са еволюирали по различен начин от маймуните.
„Никой не трябва да гледа на това като на край“, казва Ейхлер, „а като на трансформация, не само за геномните изследвания, но и за клиничната медицина, макар че това ще отнеме години, за да се постигне.“

sciencenews.org, Превод: Маргарита Сидерова