hirdetés

Genetikai térképezés

Gének és gépek

A géntérképezés már forradalmasította a biológiát, eközben kifejlődtek a térképezéshez szükséges gépek. Most a rengeteg adat interpretációja, az adatbázisok és a felhasználói közösségek megszervezése vezethet el az orvostudomány forradalmához.

hirdetés
Az ezredfordulón végződő heroikus vállalkozás, amelyet jelentőségében az ember Holdra szállásához hasonlítottak, bizonyos értelemben óriási kudarc volt. Nem erre számítottak a genetikusok, amikor elindították a több mint tíz évig tartó, 3 milliárd dollárba kerülő projektet. A program indulásakor a genetikusok még azt képzelték, hogy az ember genetikai anyagának szekvenálásával – a genetikai információt rögzítő betűk sorrendjének leírásával – nemcsak megfejtik, de meg is értik az élet könyvét. A többek között az USA kormánya által finanszírozott projekt 200 kutatója és munkatársaik valóban le is írták az ember örökítőanyagát (DNS) képező 3 milliárd betű sorrendjét, azonban amikor megpróbálták kiolvasni a szöveget, nagyjából semmit sem értettek belőle. Korábban úgy gondolták, hogy a DNS géneket tartalmaz, azok pedig az élet építőköveit, a sejtek gépezetét képező fehérjéket kódolják, így a géntérkép felállítása révén majd megértjük a fehérjék és az élet működését is. Azonban a géntérkép elkészültekor kiderült, hogy a genetikai információt rögzítő betűknek csak a 1,5 százaléka kódol fehérjéket, és a maradék 98,5% szerepéről fogalmunk sincs.
 

Az új kérdés – mi végre az örökítőanyag túlnyomó többsége? – elől a genetikusok először megfutamodtak, és kijelentették: a másfél százaléknyi anyag maga az információ, a többi felesleges. A junk (szemét) DNS-nek elnevezett sötét genetikai anyagról aztán a következő másfél évtizedben apránként kiderült, hogy metaszintű információt hordoz: olyan régiókból áll, amelyek a gének működését szabályozzák. Ha megértjük, miként is működik ez a szabályozás, az a remények szerint forradalomhoz vezethet az orvostudományban.

3 milliárd dollár helyett ezer dollárért

A biológiában már bekövetkezett a forradalom. A Humán Genom Projekt lezárulta után ugyanis a genetikusok újabb nagy célt tűztek ki: a következő géntérképet sokkal olcsóbban kellene kihozni. Hiszen ha megfizethető áron lehetne géntérképet készíteni, össze lehetne állítani más fajokét is, vagy leírni a több ezer éve meghalt múmiák örökítőanyagának betűit, és össze lehetne hasonlítani több millió ember géntérképét, így talán megérthetnénk, konkrétan hogyan befolyásolja a DNS az egészséget és a betegséget (csak nagyszámú géntérkép összehasonlításával lehetne rábukkanni azokra a statisztikailag szignifikáns különbségekre, amelyek a különböző betegségekre való hajlam hátterében állnak).

A cél megvalósítása érdekében az USA kormánya 2003-ban további nagy kutatásokat kezdett finanszírozni: 97 akadémiai és ipari kutatócsoport kapott összesen 100 millió dollárt, ami – főleg Kaliforniában – rengeteg magánbefektetőt is vonzott, és az új projekt a sikeres public-private partnership (PPP) mintapéldájává vált.

A munkába beszállt az EU is, többek között a 12 millió eurós READNA-konzorciummal. Fejlesztették a hardvert és a szoftvert egyaránt, automatizálták a vér-, nyál-, csontminta-feldolgozást, lézert alkalmaztak a sejtek egymástól történő elválasztására, és bevetették a robotikát is. A projekt első 5 évében szédületes sikerek születtek, a gépek hozták az Intel alapítója, Gordon Moore által megfigyelt trendet, kétévente duplázódott a számítási kapacitás, és feleződött a szekvenálás ára. 2008-ban drámai változás történt: a második generációs szekvenáló gépek kifejlesztésével sokkal gyorsabb lett az árcsökkenés, és mára sikerült elérni az 1000 dolláros álomhatárt.

A genetikai térkép elkészítésének költsége
A genetikai térkép elkészítésének költsége

Rokonok, szimbionták és kórokozók

Mivel ilyen olcsó, egyre több emberi géntérképet állítanak elő a biológusok (2014-ben kb. 230 000 emberét). Kiderült például, hogy két átlagember genetikai anyagának ezredrésze, 4-5 millió betű különbözik.

Az örökítőanyagok közötti különbség ismerete arra is jó, hogy megmondhassuk, milyen közeli rokonok az illetők, ezért a történelemtudomány is sokat fejlődött a szekvenálásnak köszönhetően. A genetikusok a rokonsági fokok leírásával feltárták a különböző népcsoportok migrációs útvonalait, és azt is kiderítették, hogy a Homo sapiens és a Neander-völgyi ember utódokat nemzett egymással, mivel a mai ember genetikai anyagában találhatók olyan elemek, amelyek egyébként csak a Neander-völgyiek csontvázaiból származó örökítőanyagban vannak. Egy 50 000 éves ujjcsont vizsgálatával az is kiderült, hogy Közép-Ázsia hegyeiben élt egy harmadik emberfajta is. A denisovai emberektől a Tibetben élő Homo sapiensek örökölték azt a gént, amelyik lehetővé teszi, hogy a magas hegyekre jellemző alacsony oxigénkoncentráció mellett is életben tudjanak maradni.

Szekvenálták rengeteg más fajta élőlény, így vírusok, baktériumok, gombák, növények, állatok örökítőanyagát is. Megnézték, hogy milyen DNS található a székletünkben, így kiderült, hogy a belünkben tízezerféle baktérium él szimbiózisban velünk, számuk 2-3-szorosa a saját testünket felépítő sejtek számának, és tápanyagért cserébe többek között vitaminokat készítenek nekünk, vagy távol tartják a kórokozókat. Szekvenálással azonosították a szimbionta bélbaktériumok által a kórokozók ellen termelt antibiotikumok egy részét is, amelyeket majd a gyógyászatban is felhasználhatunk.

Költségek és cégek

Az első automata szekvenáló gépet – AB370A –, amely elektroforézist használt a betűsorrend feltárásához, 1987-ben vezette be az Applied Biosystems. A második generációs szekvenszerek – például 454, SOLiD, Illumina – más, egymástól is különböző módszerrel dolgoznak, ami megnehezíti az eredmények és a költségek összehasonlítását, de az általuk előállított információ minősége nem haladja meg az első módszerét: kb. 1% az esélye, hogy egy-egy adat téves. A harmadik, majd negyedik generációs szekvenszerek újabb módszerek – például nanopórus-technológia, grafénszenzorok alkalmazása – révén még olcsóbban és gyorsabban dolgoznak, 2015-ben már 26 óra alatt képesek voltak megcsinálni egy emberi géntérképet (az ennek során használt Edico Genome Dragen az első, speciálisan genomikai felhasználásra tervezett processzor).

Az Edico Genome Dragen genomikai processzor
Az Edico Genome Dragen genomikai processzor

A legolcsóbb szekvenáló berendezés 100 000 dollár körüli áron kapható, de a szekvenciaadatok 90%-a az 1 millió dolláros Illumina-berendezéseken készül. Ezek gyártója 2014-ben 1,4 milliárd dollár értékű berendezést és teszteket adott el, 25%-kal többet, mint a korábbi évben.

A szekvenálások több mint 80%-át tudományos kutatás keretében végzik, és tavaly óta Magyarországon is van egy nagy teljesítményű berendezés, amely a Semmelweis Egyetem és a Richter Gedeon gyógyszergyár közös kutatási céljait szolgálja.

Hálózatok

Az információ mennyiségi növekedése – egyre több különböző faj és egyed genetikai betűsorrendjének ismerete – több problémát is hordoz. Hogyan tároljuk és értelmezzük, hogyan osszuk meg, vagy hogyan akadályozzuk meg az ellopását?

Az orvostudomány napjainkban leginkább az adatok értelmezésével küzd. Hogyan szabályozza a 98,5%-nyi sötét anyag a 1,5%-nyi gént? Azt például már tudjuk, hogy a betűsorrendben nagyon távol is lehetnek egymástól a gének és a szabályozó régióik, és azt is elkezdték kideríteni a genetikusok, hogy a különböző környezeti hatások (például környezetszennyezés, táplálkozás, nevelés) hogyan kapcsolják ki-be a szabályozó, serkentő és gátló régiókat, vagy például hogy ugyanazon génjei ellenére miért működik másképp egy máj-, vese- vagy idegsejt.

Az időt is kezdjük értelmezni: ha szekvenáljuk egy ember genetikai anyagát például öt évvel később, megnézhetjük, mi változott közben (például öregedés, gyógyszerhatás), ha pedig egy egérembrió genetikai anyagát szekvenáljuk, majd a felnőttét, kideríthetjük, hogy mi módosul a fejlődés során.

Az egyre több adat révén azonban egyre bonyolultabb kölcsönhatásokra derül fény. A biológia és az orvostudomány már nem is egy-egy gén vagy kóroki tényező hatásáról, hanem kölcsönösen összefüggő gén-, fehérje-, anyagcsere- és betegséghálózatokról beszél, amelyek működésében nem érdemes és nem is lehet elszigetelt változásokat elérni, a gyógyítás érdekében egyszerre több ponton, több szinten kell beavatkozni. A remények szerint az adathalmazok értelmezéséből kibontakozó hálózati orvostudomány egyszerre számos gyógyszert és egyéb befolyásoló hatást fog alkalmazni a meghibásodott hálózat – a beteg szervezet – helyrebillentése érdekében.

A jövő: személyre szabott orvoslás

A géntérképezés orvosi felhasználhatósága jelenleg igen korlátozott, mindössze három területre terjed ki. Segíthet kórokozók azonosításában, egyes igen ritka, öröklődő betegségekkel született csecsemők diagnosztizálásában, valamint annak megállapításában, hogy bizonyos rákos daganatok reagálnak-e egyes gyógyszerekre. Ha az adatok további felszaporodása és azok jelenleginél sikeresebb értelmezése révén bekövetkezik az orvostudomány genomikai forradalma, képesek leszünk betegségre való hajlamok megjóslására és azok prevenciójára, illetve a már kialakult betegségek személyre szabott kezelésére is.

1500-4000 dollárért egyébként már ma is bárki részt vehet olyan genetikai tesztelésen, amelynek során előállítják géntérképének egy töredékét (2015-ben 100 000 ember küldött be nyálmintát ebből a célból különböző cégekhez az USA-ban). A tesztek a gyártóik szerint alkalmasak különböző betegségekkel kapcsolatos kockázatok megállapítására, azonban ezeknek a következtetéseknek a nagy része tudományosan nem validált, és néhány kivételtől eltekintve nem tudja senki, mit jelent valójában, ha valakinek egy génjében mutációt (a betűsorrend hibáját) állapítottak meg. A DNS más részei és a környezet ugyanis egyelőre nem ismert módon alakíthatja a mutációk egészségre gyakorolt hatását. 

Dr. Kazai Anita
a szerző cikkei

hirdetés
Share on Tumblr
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés