Stworzenie mapy ludzkiego genomu jest uznawane za najbardziej śmiałe przedsięwzięcie w historii medycyny
15 czerwca 2000 r. miał przejść do historii genetyki. Wbrew wcześniejszym głośnym zapowiedziom tak się jednak nie stało. Żaden zespół naukowców nie przedstawił bowiem kompletnej mapy genomu człowieka. Dwie rywalizujące z sobą grupy - prywatna firma Celera Genomics i rządowe instytuty realizujące Human Genome Project - planują rozpocząć współpracę. Czyżby stworzenie takiej mapy okazało się trudniejsze, niż przypuszczano?
Ten pierwszy etap prac nad poznaniem i zrozumieniem działania wszystkich genów człowieka miał być najłatwiejszy. Problemów oczekiwano dopiero na etapie ustalania sposobu funkcjonowania i wzajemnych zależności między genami. Ekscytujące i żmudne miało być poznawanie, w jaki sposób komórki korzystają z informacji zawartych w DNA. Na razie kłopot sprawiło sekwencjonowanie, czyli ustalanie kolejności wszystkich zasad nukleotydowych. W 23 chromosomach człowieka znajduje się ponad 3 mld par tych związków.
- Poznanie sekwencji jest pewnym etapem rozwoju badań, rozpoczętym dziesięć lat temu, którego koniec - zrozumienie funkcji i interakcji kodowanych przez geny białek - jest odległy pewnie o kilkadziesiąt lat - uważa prof. Ewa Bartnik z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie.
Stworzenie mapy ludzkiego genomu jest dziś uznawane za najbardziej śmiałe przedsięwzięcie w historii medycyny. Zrozumienie roli, jaką odgrywają DNA, RNA i białka, ma pomóc odpowiedzieć na pytanie, co jest przyczyną ludzkich dramatów, co powoduje, że nie umiemy pokonać wielu chorób, że umierają dzieci oraz młodzi ludzie w pełni sił. Zanim jednak do tego dojdzie, przed naukowcami jeszcze ogrom pracy. - Informacje, które uzyskuje się dzięki temu projektowi, będą miały olbrzymie znaczenie praktyczne, ale jeszcze nie teraz, tylko dla przyszłych badań mających na celu zrozumienie podstaw wielu ludzkich chorób i opracowanie skutecznych sposobów leczenia, zarówno farmakoterapii, jak i terapii genowej. Dane te pozwolą także poznać przyczyny różnic między ludźmi, dotyczących na przykład metabolizmu leków czy odporności na choroby. Nie nastąpi to jednak szybko. Od kilku lat znamy sekwencje DNA wielu bakterii i drożdży, ale nadal nie wiemy, do czego służy spora część w sumie niewielu genów - mówi prof. Bartnik.
W wypadku genomu człowieka udało się na razie ustalić kolejność większości z 3 mld par zasad tworzących każdy ze stu tysięcy ludzkich genów. Przeciętny gen składa się z około tysiąca par tych zasad. Są to związki chemiczne oznaczane literami A, C, G i T (od ich nazw: adenina, cytozyna, guanina i tymina). Długość genu jest różna: od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy par zasad. Zajmują one jednak zawsze te same miejsca w chromosomach, czyli upakowanych w specjalny sposób niciach DNA. Cząsteczka DNA składa się z dwóch skręconych spiralnie łańcuchów, zbudowanych z zasad nukleotydowych połączonych w pary.
Mutacja w obrębie różnorodnych genów wpływa na rozwój chorób. Uczeni z Narodowego Instytutu Zdrowia w USA wykryli gen zwiększający ryzyko pojawienia się choroby Parkinsona. Ustalono, że osoby cierpiące na depresję mają uszkodzony gen, który w komórkach jest odpowiedzialny za produkcję serotoniny. Białko to odgrywa istotną rolę w komunikowaniu się komórek mózgu. Naukowcy odkryli już dwa geny odpowiedzialne za pojawienie się astmy i są na tropie kolejnych fragmentów DNA przyczyniających się do wystąpienia tej choroby. Znaleziono także kilka fragmentów DNA, które prawdopodobnie wiążą się ze schizofrenią.
Dzięki badaniom genetycznym wiadomo również, że 1 proc. ludzi jest całkowicie odpornych na AIDS. Dzieje się tak dzięki mutacjom w jednym genie. "Prawidłowy" gen produkuje białko, dzięki któremu wirus HIV może się "przyczepić" do zdrowej komórki i zaatakować ją. Mutacja sprawia, że białko nie powstaje, więc wirus nie ma się czego "chwycić".
Udowodniono także związek między chorobą Alzheimera a genem kodującym jedno z białek krwi. U pacjentów z rodzin dotkniętych tą chorobą częściej niż w całej populacji występuje zmieniona postać tego genu. Jeżeli ktoś ma dwa takie geny, jest niemal pewne, że zostanie dotknięty chorobą Alzheimera. Białko kodowane przez ten gen może się przyczyniać do powstawania złogów innego białka nie tylko w mózgu, lecz również wokół naczyń krwionośnych i w innych tkankach. Dochodzi wówczas do utraty pamięci, zaburzenia równowagi emocjonalnej i fizycznego wyniszczenia organizmu. Naukowcy podejrzewają, że gen ten może również determinować podstawowe zdolności poznawcze.
Wszystkie te informacje nie wystarczą jednak, aby móc skutecznie leczyć, a jeszcze lepiej - zapobiegać chorobom. Naukowcy muszą się dowiedzieć, jakie interakcje zachodzą między genami. Większość chorób - a wśród nich te zbierające najliczniejsze śmiertelne żniwo, takie jak cukrzyca, choroby serca czy nowotwory - jest spowodowana mutacjami wielu genów.
Zdaniem prof. Małgorzaty Krajowskiej-Walasek, kierownika Zakładu Genetyki Medycznej Centrum Zdrowia Dziecka, poznanie genomu człowieka będzie miało kolosalne znaczenie w diagnostyce chorób dziedzicznych, których zarejestrowano 10 tys. Z wadami przez nie wywołanymi rodzi się 3 proc. dzieci. - Dziedzicznie uwarunkowanych jest kilka chorób serca - mówi dr Lidia Chojnowska z Instytutu Kardiologii w Warszawie. - Najczęstszą z nich jest kardiomiopatia przerostowa, która rozwija się nagle w wielu dojrzewania i prowadzi do silnej arytmii. Odpowiada ona za 4-6 proc. zgonów wśród dzieci i młodzieży. Wiadomo, że wywołują ją geny kodujące białko kurczliwe mięśnia sercowego. U części dzieci dzięki rozpoznaniu genów można zdiagnozować chorobę, zanim dojdzie do zmian klinicznych.
U 20 proc. badanych rodzin nie udało się na razie zidentyfikować genów.
- Opisanie wszystkich genów jest dużym krokiem naprzód - przyznaje prof. Jacek Zaremba, kierownik Zakładu Genetyki Instytutu Psychiatrii i Neurologii. - Nie daje jednak całkowitej wiedzy o nas samych. Jest tylko kluczem, który ułatwi badania. Dzięki tym pracom poznamy wszystkie geny, których mutacje powodują choroby wieloczynnikowe, prowadzące do ciężkich upośledzeń umysłowych. Do takich schorzeń należy wada cewy nerwowej, która może powodować rozszczep kręgosłupa i przepuklinę rdzeniową.
- Mapa genomu znacznie ułatwi identyfikację genów związanych z poszczególnymi chorobami. Określi ona bowiem wygląd genu oraz jego miejsce w łańcuchu DNA, składającym się z kilkudziesięciu tysięcy genów - ocenia prof. Jan Lubiński, kierownik Ośrodka Nowotworów Dziedzicznych Pomorskiej Akademii Medycznej. - Wiadomo, że w rodzinach, w których co najmniej u trzech najbliższych krewnych występują nowotwory piersi, modyfikacji uległy dwa geny. Jednak zdeformowany BRCA1 występuje tylko u 40 proc. członków tych rodzin, a BRCA2 u 30 proc. z nich. Muszą więc istnieć jeszcze inne geny, które wywołują tę chorobę. Stworzenie mapy przyspieszy te poszukiwania.
"Przyzwyczailiśmy się do tego, że mierzenie ciśnienia krwi i sprawdzanie poziomu cholesterolu wskazuje na zagrożenie chorobami układu krążenia. Taką samą rolę będą w przyszłości odgrywać badania genetyczne. Informacja o mutacji w obrębie jednego genu nie będzie jednak wyrokiem śmierci (tak jak dziś nikt nie rozpacza z powodu podwyższonego ciśnienia), lecz ostrzeżeniem. Pozwoli ona w porę podjąć odpowiednie kroki, aby uniknąć choroby" - twierdzi na łamach "New Scientist" David Altshuler, genetyk z Whitehead Institute for Biomedical Research w Cambridge (Massachusetts).
Praktyczne wykorzystanie wiedzy o genach pozwoli ograniczyć liczbę stosowanych leków. Zanim lekarz sięgnie po receptę, zleci wykonanie testów genetycznych i kierując się ich wynikiem, zapisze (lub nie) optymalny lek: nie tylko skuteczny, lecz czyniący jak najmniej szkody w organizmie. Już dziś wiadomo, że cierpiący na chorobę Alzheimera,
u których doszło do mutacji w obrębie genu zwanego ApoE epsilon 4, mniej korzyści odnoszą z terapii jednym z leków stosowanych w tym schorzeniu. Podobnie jest w wypadku jednego z nowotworów. Wprawdzie komórki rakowe pod mikroskopem wyglądają identycznie, chorych można jednak podzielić na dwie grupy: jednym chemioterapia pomaga, a innym - nie. Wszystkiemu winne są geny.
Poznanie genomu człowieka i innych zwierząt pozwoli rozwiązać tajemnicę pochodzenia gatunków. Ponad 99 proc. DNA jest u wszystkich ludzi takie same. Eddy Rubin z Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii przypomina na łamach "New Scientist", że wszystkie ssaki - od myszy po człowieka - mają bardzo podobne geny i produkują podobne białka. Różnica między nimi polega tylko na tym, które geny są aktywne, a które nie. "To tak jakbyśmy dostali stos cegieł. Można z nich zbudować garaż lub drapacz chmur. Efekt nie zależy od zastosowanego materiału, lecz od sposobu, w jaki zostanie on użyty" - stwierdza Eddy Rubin.
Optymiści uważają, że już za dziesięć lat lekarze będą umieli pokonać nowotwory i choroby serca. Będą mogli tego dokonać, zanim pojawią się pierwsze objawy tych dolegliwości. Głównym zadaniem medycyny stanie się wówczas profilaktyka, a nie leczenie. Sceptycy, na razie stanowiący mniejszość, uważają, że informacje o naszych genach i grożących nam chorobach mogą się okazać cenne nie tylko dla lekarzy, lecz także dla firm ubezpieczeniowych, które mogą zażądać podwyższenia składki lub odmówić wydania polisy na życie. Zdaniem pesymistów, korzyści, jakie mogłaby odnieść medycyna z badań nad genomem, nie pojawią się szybko. Jeżeli jednak manipulacje genetyczne staną się faktem, doprowadzą do głębokiego podziału społeczeństwa na ludzi bogatych, korzystających ze zdobyczy nauki, i biednych, których nie będzie na nie stać. Pesymiści obawiają się także, że medyczna rewolucja, jaka się wtedy dokona, przyczyni się do powstania "genetycznej nadklasy": nielicznej grupy ludzi pięknych, inteligentnych i wolnych od chorób. Reszta będzie żyła tak jak dziś.
Ten pierwszy etap prac nad poznaniem i zrozumieniem działania wszystkich genów człowieka miał być najłatwiejszy. Problemów oczekiwano dopiero na etapie ustalania sposobu funkcjonowania i wzajemnych zależności między genami. Ekscytujące i żmudne miało być poznawanie, w jaki sposób komórki korzystają z informacji zawartych w DNA. Na razie kłopot sprawiło sekwencjonowanie, czyli ustalanie kolejności wszystkich zasad nukleotydowych. W 23 chromosomach człowieka znajduje się ponad 3 mld par tych związków.
- Poznanie sekwencji jest pewnym etapem rozwoju badań, rozpoczętym dziesięć lat temu, którego koniec - zrozumienie funkcji i interakcji kodowanych przez geny białek - jest odległy pewnie o kilkadziesiąt lat - uważa prof. Ewa Bartnik z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie.
Stworzenie mapy ludzkiego genomu jest dziś uznawane za najbardziej śmiałe przedsięwzięcie w historii medycyny. Zrozumienie roli, jaką odgrywają DNA, RNA i białka, ma pomóc odpowiedzieć na pytanie, co jest przyczyną ludzkich dramatów, co powoduje, że nie umiemy pokonać wielu chorób, że umierają dzieci oraz młodzi ludzie w pełni sił. Zanim jednak do tego dojdzie, przed naukowcami jeszcze ogrom pracy. - Informacje, które uzyskuje się dzięki temu projektowi, będą miały olbrzymie znaczenie praktyczne, ale jeszcze nie teraz, tylko dla przyszłych badań mających na celu zrozumienie podstaw wielu ludzkich chorób i opracowanie skutecznych sposobów leczenia, zarówno farmakoterapii, jak i terapii genowej. Dane te pozwolą także poznać przyczyny różnic między ludźmi, dotyczących na przykład metabolizmu leków czy odporności na choroby. Nie nastąpi to jednak szybko. Od kilku lat znamy sekwencje DNA wielu bakterii i drożdży, ale nadal nie wiemy, do czego służy spora część w sumie niewielu genów - mówi prof. Bartnik.
W wypadku genomu człowieka udało się na razie ustalić kolejność większości z 3 mld par zasad tworzących każdy ze stu tysięcy ludzkich genów. Przeciętny gen składa się z około tysiąca par tych zasad. Są to związki chemiczne oznaczane literami A, C, G i T (od ich nazw: adenina, cytozyna, guanina i tymina). Długość genu jest różna: od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy par zasad. Zajmują one jednak zawsze te same miejsca w chromosomach, czyli upakowanych w specjalny sposób niciach DNA. Cząsteczka DNA składa się z dwóch skręconych spiralnie łańcuchów, zbudowanych z zasad nukleotydowych połączonych w pary.
Mutacja w obrębie różnorodnych genów wpływa na rozwój chorób. Uczeni z Narodowego Instytutu Zdrowia w USA wykryli gen zwiększający ryzyko pojawienia się choroby Parkinsona. Ustalono, że osoby cierpiące na depresję mają uszkodzony gen, który w komórkach jest odpowiedzialny za produkcję serotoniny. Białko to odgrywa istotną rolę w komunikowaniu się komórek mózgu. Naukowcy odkryli już dwa geny odpowiedzialne za pojawienie się astmy i są na tropie kolejnych fragmentów DNA przyczyniających się do wystąpienia tej choroby. Znaleziono także kilka fragmentów DNA, które prawdopodobnie wiążą się ze schizofrenią.
Dzięki badaniom genetycznym wiadomo również, że 1 proc. ludzi jest całkowicie odpornych na AIDS. Dzieje się tak dzięki mutacjom w jednym genie. "Prawidłowy" gen produkuje białko, dzięki któremu wirus HIV może się "przyczepić" do zdrowej komórki i zaatakować ją. Mutacja sprawia, że białko nie powstaje, więc wirus nie ma się czego "chwycić".
Udowodniono także związek między chorobą Alzheimera a genem kodującym jedno z białek krwi. U pacjentów z rodzin dotkniętych tą chorobą częściej niż w całej populacji występuje zmieniona postać tego genu. Jeżeli ktoś ma dwa takie geny, jest niemal pewne, że zostanie dotknięty chorobą Alzheimera. Białko kodowane przez ten gen może się przyczyniać do powstawania złogów innego białka nie tylko w mózgu, lecz również wokół naczyń krwionośnych i w innych tkankach. Dochodzi wówczas do utraty pamięci, zaburzenia równowagi emocjonalnej i fizycznego wyniszczenia organizmu. Naukowcy podejrzewają, że gen ten może również determinować podstawowe zdolności poznawcze.
Wszystkie te informacje nie wystarczą jednak, aby móc skutecznie leczyć, a jeszcze lepiej - zapobiegać chorobom. Naukowcy muszą się dowiedzieć, jakie interakcje zachodzą między genami. Większość chorób - a wśród nich te zbierające najliczniejsze śmiertelne żniwo, takie jak cukrzyca, choroby serca czy nowotwory - jest spowodowana mutacjami wielu genów.
Zdaniem prof. Małgorzaty Krajowskiej-Walasek, kierownika Zakładu Genetyki Medycznej Centrum Zdrowia Dziecka, poznanie genomu człowieka będzie miało kolosalne znaczenie w diagnostyce chorób dziedzicznych, których zarejestrowano 10 tys. Z wadami przez nie wywołanymi rodzi się 3 proc. dzieci. - Dziedzicznie uwarunkowanych jest kilka chorób serca - mówi dr Lidia Chojnowska z Instytutu Kardiologii w Warszawie. - Najczęstszą z nich jest kardiomiopatia przerostowa, która rozwija się nagle w wielu dojrzewania i prowadzi do silnej arytmii. Odpowiada ona za 4-6 proc. zgonów wśród dzieci i młodzieży. Wiadomo, że wywołują ją geny kodujące białko kurczliwe mięśnia sercowego. U części dzieci dzięki rozpoznaniu genów można zdiagnozować chorobę, zanim dojdzie do zmian klinicznych.
U 20 proc. badanych rodzin nie udało się na razie zidentyfikować genów.
- Opisanie wszystkich genów jest dużym krokiem naprzód - przyznaje prof. Jacek Zaremba, kierownik Zakładu Genetyki Instytutu Psychiatrii i Neurologii. - Nie daje jednak całkowitej wiedzy o nas samych. Jest tylko kluczem, który ułatwi badania. Dzięki tym pracom poznamy wszystkie geny, których mutacje powodują choroby wieloczynnikowe, prowadzące do ciężkich upośledzeń umysłowych. Do takich schorzeń należy wada cewy nerwowej, która może powodować rozszczep kręgosłupa i przepuklinę rdzeniową.
- Mapa genomu znacznie ułatwi identyfikację genów związanych z poszczególnymi chorobami. Określi ona bowiem wygląd genu oraz jego miejsce w łańcuchu DNA, składającym się z kilkudziesięciu tysięcy genów - ocenia prof. Jan Lubiński, kierownik Ośrodka Nowotworów Dziedzicznych Pomorskiej Akademii Medycznej. - Wiadomo, że w rodzinach, w których co najmniej u trzech najbliższych krewnych występują nowotwory piersi, modyfikacji uległy dwa geny. Jednak zdeformowany BRCA1 występuje tylko u 40 proc. członków tych rodzin, a BRCA2 u 30 proc. z nich. Muszą więc istnieć jeszcze inne geny, które wywołują tę chorobę. Stworzenie mapy przyspieszy te poszukiwania.
"Przyzwyczailiśmy się do tego, że mierzenie ciśnienia krwi i sprawdzanie poziomu cholesterolu wskazuje na zagrożenie chorobami układu krążenia. Taką samą rolę będą w przyszłości odgrywać badania genetyczne. Informacja o mutacji w obrębie jednego genu nie będzie jednak wyrokiem śmierci (tak jak dziś nikt nie rozpacza z powodu podwyższonego ciśnienia), lecz ostrzeżeniem. Pozwoli ona w porę podjąć odpowiednie kroki, aby uniknąć choroby" - twierdzi na łamach "New Scientist" David Altshuler, genetyk z Whitehead Institute for Biomedical Research w Cambridge (Massachusetts).
Praktyczne wykorzystanie wiedzy o genach pozwoli ograniczyć liczbę stosowanych leków. Zanim lekarz sięgnie po receptę, zleci wykonanie testów genetycznych i kierując się ich wynikiem, zapisze (lub nie) optymalny lek: nie tylko skuteczny, lecz czyniący jak najmniej szkody w organizmie. Już dziś wiadomo, że cierpiący na chorobę Alzheimera,
u których doszło do mutacji w obrębie genu zwanego ApoE epsilon 4, mniej korzyści odnoszą z terapii jednym z leków stosowanych w tym schorzeniu. Podobnie jest w wypadku jednego z nowotworów. Wprawdzie komórki rakowe pod mikroskopem wyglądają identycznie, chorych można jednak podzielić na dwie grupy: jednym chemioterapia pomaga, a innym - nie. Wszystkiemu winne są geny.
Poznanie genomu człowieka i innych zwierząt pozwoli rozwiązać tajemnicę pochodzenia gatunków. Ponad 99 proc. DNA jest u wszystkich ludzi takie same. Eddy Rubin z Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii przypomina na łamach "New Scientist", że wszystkie ssaki - od myszy po człowieka - mają bardzo podobne geny i produkują podobne białka. Różnica między nimi polega tylko na tym, które geny są aktywne, a które nie. "To tak jakbyśmy dostali stos cegieł. Można z nich zbudować garaż lub drapacz chmur. Efekt nie zależy od zastosowanego materiału, lecz od sposobu, w jaki zostanie on użyty" - stwierdza Eddy Rubin.
Optymiści uważają, że już za dziesięć lat lekarze będą umieli pokonać nowotwory i choroby serca. Będą mogli tego dokonać, zanim pojawią się pierwsze objawy tych dolegliwości. Głównym zadaniem medycyny stanie się wówczas profilaktyka, a nie leczenie. Sceptycy, na razie stanowiący mniejszość, uważają, że informacje o naszych genach i grożących nam chorobach mogą się okazać cenne nie tylko dla lekarzy, lecz także dla firm ubezpieczeniowych, które mogą zażądać podwyższenia składki lub odmówić wydania polisy na życie. Zdaniem pesymistów, korzyści, jakie mogłaby odnieść medycyna z badań nad genomem, nie pojawią się szybko. Jeżeli jednak manipulacje genetyczne staną się faktem, doprowadzą do głębokiego podziału społeczeństwa na ludzi bogatych, korzystających ze zdobyczy nauki, i biednych, których nie będzie na nie stać. Pesymiści obawiają się także, że medyczna rewolucja, jaka się wtedy dokona, przyczyni się do powstania "genetycznej nadklasy": nielicznej grupy ludzi pięknych, inteligentnych i wolnych od chorób. Reszta będzie żyła tak jak dziś.
Więcej możesz przeczytać w 26/2000 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.