Bioinformatyk.eu nowy serwis o bioinformatyce i programowaniu

30 kwi, 2010

Projekt Poznania Ludzkiego Genomu

Zamieszczony przez: Justi w: Materiały

Projekt Poznania Ludzkiego Genomu czyli Human Genome Project (HGP) był projektem rządowym na międzynarodową skalę, rozpoczął się w październiku 1990 roku i trwał przez 13 lat aż do zakończenia w 2003.

Sam projekt planowany był na 15 lat, jednakże znaczny postęp w technikach sekwencjonowania genomu sprawił, iż został ukończony wcześniej. Głównymi założeniami projektu było określenie sekwencji ok 3 miliardów par zasad budujących DNA człowieka, poznanie wszystkich chromosomów i następnie udostępnienie tych danych szerokiemu środowisku naukowemu.

Częścią projektu było również równoległe sekwencjonowanie genomów tzw. organizmów modelowych, takich jak bakterie E. coli., drożdży (Saccharomyces cerevisiae), nicieni (Caenorhabditis elegans), muszek owocowych (Drosophila melanogaster), które pomogło w rozwoju technologii oraz interpretacji wyników sekwencjonowania genomu ludzkiego.

Sponsorami projektu były The Department of Energy’s Human Genome Program oraz the National Institutes of Health’s National Human Genome Research Institute.

Do przyspeiszonego postępu prac przyczyniła się bezpośrednio prywatna firma Celera Genomics (założyczielem był Craig Venter, biolog-przedsiębiorca), która chiała jako pierwsza zsekwencjonowac ludzki genom i tym samym mieć możliwość opatentowania go. Koncern ten wprowadził nową, szybszą technikę sekwencjonowania zwaną shotgun sequencing, polegającą na pocięciu całego DNA na niewielkie fragmenty poddawane analizie. Kombinacje wszystkich par komplementarnych nukleotydów budujących poszczególne odcinki rejestrował komputer co znacznie automatyzowało pracę. Program komputerowy pozwalał na badanie podobieństw między różnymi odcinkami, dzięki czemu możliwe było złożenie odcinków DNA w całość.

W wyniku prac naukowców rządowych i działań konkurencji z Celera Genomics powstałyały artykuły w Nature i Science, ale przede wszystkim wzajemnie się uzupełniające rewolucyjne wyniki badań. Jak złożony był to projekt można zobaczyć na niżej zamieszczonym rysunku (dolna partia).

Human Genome Project

Human Genome Project

Projekt ten miał na celu opracowanie względnego położenia genów w genomie a także określenie kolejności ułożenia w nim zasad azotowych. Wydany 14 kwietnia 2003 roku dokument potwierdzał zsekwencjonowanie 99% całego genomu ludzkiego z prawie stuprocentową trafnością ( 99,99% ).

Dzięki projektowi HGP oszacowano również całkowitą liczbę genów, jednak jak się okazało, nie było to sprawą trywialną. Na skutek stosowania różnych metod sekwencjonowania, wyniki były skrajnie różne. Przyjęto zatem dolną granicę ze zbioru tych wyników czyli ok. 26 tyś., i taką liczbę genów w genomie oficjalnie poznał świat.

Kolejnym wnioskiem naukowców z HGP było to, że geny nie są jedynymi czynnikami odpowiedzialnymi za wytworzenie się określonych umiejętności i zdolności człowieka, jak również za występowanie chorób .
HGP przyczynił się do odkrycia i rozwinięcia nowoczesnych technik umożliwiających poznawanie genomów, stosowanych z powodzeniem we współczesnych laboratoriach. Najważniejsze z nich zostały omówione poniżej.

  • Sekwencjonowanie DNA. Jest to technika laboratoryjna, używana do określenia poznania dokładnej sekwencja zasad (A, C, G i T) w cząsteczce DNA. Sekwencja DNA zawiera kluczowe informacje dla komórki, które pozwalają jej na wytworzenie cząsteczek RNA i białek. Informacja o sekwencji DNA jest istotna dla naukowców zajmujących się badaniem funkcji genów. Co ciekawe, technika sekwencjonowania DNA była jedną z najszybszych i zarazem najmniej kosztownych sposobów na odkrywanie genomów.
  • Metoda RFLP. Metoda RFLP czyli Restriction fragment length polymorphism jest techniką pozwalającą na różnicowanie organizmów poprzez analizę wzorów pochodzących z pocięcia ich DNA. Tą techniką wykrywa się różnice pomiędzy rozmiarami fragmentów DNA pociętych specjalnymi enzymami bakteryjnymi zwanymi restryktazami. Różnice długości fragmentów DNA powstają w wyniku mutacji, które tworzą lub eliminują miejsca rozpoznawane przez te enzymy. RFLP’sy są używane jako markery w mapach genetycznych. Do ich wizualizacji używa się niżej opisanej elektroforezy żelowej.
  • Wektor YAC. Sztuczny chromosom drożdżowy czyli Yeast artificial chromosome (YAC) jest wektorem używanym do klonowania dużych fragmentów DNA (od 100 kb i do 3000 kb). To jest sztucznie skonstruowany chromosom i zawiera sekwencje telomerowe, centromer i inne potrzebne do replikacji w komórkach drożdży. Wektory YAC często używane są równocześnie do sekwencjonowania i mapowania genomów. kawałki DNA danego organizmu, o długości nawet do miliona par zasad, ulegają insercji do wektora YAC. Wektor ten wprowadza się do komórki drożdży, gdzie ulega powieleniu. Następnie YAC izoluje się z tej komórki i poddaje  mapowaniu oraz sekwencjonowaniu.
  • Wektor BAC. Sztuczny chromosom drożdżowy, bacterial artificial chromosome (BAC), podobnie jak wyżej opisany YAC – jest wektorem. W przeciwnieństwe jednak do niego, służy do klonowania sekwencji DNA w komórkach bakteryjnych (np, E.coli). BACs często używany jest do łączenia przy sekwencjonowaniu DNA. Fragmenty DNA, o wielkości w przedziale od 100,000 do 300,000 par zasad podlegają insercji do wektora BAC, który z kolei jest wprowadzany do komórki bakteryjnej. Stamtąd, po wzroście, podziałach i namnożeniu jest izolowany i sekwencjonowany, podobnie jak YAC.
  • Metoda PCR. Reakcja łańcuchowej polimeryzacji, inaczej Polymerase chain reaction (PCR) jest powszechnie dziś stosowaną techniką laboratoryjną, która służy namnażaniu u powieleniu określonego fragmentu DNA. Metoda PCR polega na wykorzystaniu krótkich sekwencji DNA zwanych starterami, które oznaczają tą cześć genomu, które ma ulec powieleniu. PO wielokrotnych cyklach ogrzewania i oziębiania próbki , następuje powielenie sekwencji docelowej w tempie geometrycznym. Stąd technika ta może przynieść miliardy kopii sekwencji w ciągu zaledwie kilku godzin.
  • Elektroforeza. Inną, równie popularną w dzisiejszych czasach, a poznawaną dopiero wczasach Projektu, metodą laboratoryjną jest elektroforeza. Dzięki niej można wyodrębnić DNA, RNA badź cząsteczki białka ze względu na ich wielkość lub ładunek elektryczny. Cząsteczki te, przesuwają się w specjalnym żelu agarozowym pod wpływem przyłożonego napięcia. Generalnie większe cząstki poruszają się wolniej niż te mniejsze, co powoduje powstanie barwnych prążków widocznych w świetle UV.

Dalsze losy projektu. Kolejnym krokiem po 2003 roku było wypełnienie luk, związanych z niedokładnościami wcześniejszego mapowania. Dzięki temu uzyskano bardziej szczegółowy zapis map chromosomowych, postęp tego procesu w skali czasu jest przedstawiony na wykresie:

Chromosomy

Chromosomy - kolejność sekwencjonowania

Zapełnianie  luk odbywało się przez  porównywanie poszczególnych sekwencji DNA od osobników reprezentujących resztę populacji w obszarach genomu, które mogły zawierać nieścisłości w uzyskanej sekwencji. Prawdopodobną przyczyną luk okazała się niestabilność segmentów DNA podczas ich kopiowania Występowanie takich błędów oszacowano na 1 na 10000 podjednostek DNA.

Mimo zsekwencjonowania całego genomu ludzkiego, wciąż rodzą się nowe pytania i problemy do rozwiązania: które geny i dlaczego ulegają ekspresji, jakie są funkcje regionów niekodujących w DNA, co koordynuje ekspresją i syntezą białek, jak przewidywać funkcję genów, jak zidentyfikować cechy i choroby wielogenowe oraz wiele, wiele innych pytań. Miejmy nadzieję, że najbliższe dziesięciolecia przyniosą nam odpowiedzi na niektóre z nich.

Bibliografia:

http://genomics.energy.gov/

http://www.genome.gov/10001772

Autorem artykułu jest Justi

1 odpowiedź na "Projekt Poznania Ludzkiego Genomu"

1 | Ewa

4. Czerwiec 2014 o 11:38

Avatar

Bardzo mnie ciekawi ten temat. A gdybym np. ja chciala sie dowiedzieć skąd pochodze to co powinnam zrobić ?

Formularz komentarza

Kącik prasowy

Bioinformatyk.eu na Facebook'u

Polecana książka

Python 3. Kompletne wprowadzenie do programowania. Wydanie II

autor: Mark Summerfield

Cena: 79.00 zł

Polecane