Odhaľovanie ľudského ja
Začiatkom decembra minulého roku zverejnil prestížny vedecký časopis Nature článok, v ktorom autori oznámili, že prečítali a zaznamenali genetický kód človeka, obsiahnutý v chromozóme č. 22. Táto informácia vyvolala veľký ohlas nielen medzi odborníkmi, ale aj v laickej verejnosti. Čo sa však skrýva za touto správou? Znamená to úspešné zavŕšenie vedeckého úsilia, alebo ide len o začiatok ďalšej etapy obrovského rozvoja molekulárnej genetiky (génového inžinierstva), ktorého sme svedkami v posledných dvoch desaťročiach.
Prečítanie genetického kódu chromozómu č. 22 je len súčasťou jedného grandiózneho projektu, ktorého konečným cieľom je získať základnú informáciu o našej celkovej genetickej výbave. Prečítanie kompletného genetického kódu človeka následne napomôže vedeckému pochopeniu jeho úlohy a významu pre zdravie a proti chorobe. Tento projekt sa nazýva Projekt ľudského genómu (v skratke HGP z anglického názvu The Human Genome Project).
Všemocná DNA Genetická výbava človeka (podobne ako všetkých živých organizmov s výnimkou niektorých vírusov) je tvorená kyselinou deoxyribonukleovou (DNA), ktorá v zakódovanej forme obsahuje celú informáciu o všetkých dedičných znakoch a vlastnostiach jedinca. Molekula DNA je tvorená lineárnym poradím (sekvenciou) štyroch základných stavebných prvkov - nukleotidov. Genetický kód je vlastne kombinácia troch lineárne za sebou lokalizovaných nukleotidov. Malá časť tejto informácie sa nachádza v bunkových organelách, tzv. mitochondriách (mitochondriálny genóm), ale prevažná väčšina je uložená v jadrách bunky (jadrový genóm). Mitochondriány genóm človeka je už dávnejšie detailne známy. Skladá sa z molekuly DNA dlhej 16 569 stavebných prvkov, ktorých postupnosť (sekvencia) bola prečítaná ešte v roku 1981. Jadrový genóm je však neporovnateľne väčší. Jeho celková dĺžka je 3 miliardy nukleotidov. Na ilustráciu možno uviesť, že na zaznamenanie sekvencie nukleotidov v písomnej forme (keby sme 1 nukleotid označili jedným písmenom) by sme zaplnili až 1 000 zväzkov kníh s 1 000 stranami, teda slušnejšia knižnica. Tento dedičný materiál je rozložený v 24 typoch chromozómov, označených jednak číslami 1 až 22, a písmenami X a Y (tzv. pohlavné chromozómy, žena má kombináciu XX a muž XY). Podľa kvalifikovaných odhadov, počet génov (t.j. úsekov DNA, ktoré kódujú nejakú konkrétnu vlastnosť alebo funkciu) v jadrovom genóme je 65 - 80 000. Tie zaberajú len asi 25 - 35 % obsahu DNA človeka, zvyšnú časť tvoria sekvencie, o úlohe ktorých sa zatiaľ v podstate nič nevie. Z uvedeného počtu génov je v súčasnosti identifikovaných a charakterizovaných len niekoľko sto. Sú medzi nimi aj také, ktoré spôsobujú závažné dedičné ochorenia, vyskytujúce sa aj v našej populácii, ako je cystická fibróza, hemofília A a mnohé ďalšie. Prevažná väčšina ľudských génov však ešte nebola identifikovaná. Očakáva sa, že práve projekt ľudského genómu prinesie zásadné poznatky pri identifikácii týchto génov, aj pri odhaľovaní úlohy nekódujúcej DNA, ktorá tvorí väčšinu genetickej výbavy človeka.
Medzinárodný rozmer Idea prečítania genetickej výbavy človeka vznikla ešte v roku 1984 na kongrese v Alta Utah v USA. V marci 1986 sa v Santa Fe konalo medzinárodné stretnutie na posúdenie potreby a uskutočniteľnosti tejto idey. Všetci účastníci dospeli k záveru, že uvedený projekt je potrebný, uskutočniteľný a bude znamenať obrovský pokrok v genetike človeka. Dôležitým medzníkom bol rok 1988, kedy v USA došlo k založeniu Úradu pre výskum ľudského genómu na koordinovanie aktivít v tejto oblasti. Predovšetkým však v tom istom roku dal Kongres USA oficiálny súhlas na 15 - ročný projekt (HGP) so začiatkom v roku 1991 a dotovaný finančnou čiastkou vo výške až 3 miliardy dolárov (1 dolár na 1 nukleotid). Podľa amerického vzoru vznikli iniciatívy aj v ďalších štátoch, v Európe najmä v Anglicku, Nemecku, Francúzsku, Taliansku, Holandsku a Dánsku, ale aj v Ázii (Japonsko, Kórea, Nový Zéland). HGP sa premenil na skutočne medzinárodný projekt. Na jeho koordináciu bola založená Organizácia ľudského genómu (HUGO), ktorá má tri centrá: v Bethesde pre USA, v Londýne pre Európu a v Tokyu pre oblasť Pacifiku.
Ciele výskumu Hoci konečným cieľom je získanie kompletnej nukleotidovej sekvencie jadrovej DNA človeka, HGP má viacero čiastkových projektov. Predovšetkým sú to projekty zamerané na prečítanie sekvencie DNA organizmov, ktoré slúžia ako modely (napríklad baktérie, kvasinky, ovocná muška, myš a ďalšie) pri výskume všeobecných zákonitostí dedičnosti, ale aj pri štúdiu dedičných ochorení človeka. Niektoré z týchto čiastkových projektov už boli vyriešené. V roku 1995 bola publikovaná kompletná DNA sekvencia prvého organizmu vôbec - baktéria Haemophilus influenzae (dlhá 1,8 miliónov nukleotidov). Doteraz najväčší osekvenovaný genóm predstavuje DNA istej kvasinky, dlhej 14 miliónov stavebných prvkov.
Prečítanie sekvencie tak obrovského množstva stavebných prvkov, z akého sa skladá genetická výbava človeka, sa nedá uskutočniť naraz. Vyžaduje vypracovanie efektívneho plánu čiastkových a pomocných cieľov, pričom na najbližších 15 rokov ide napríklad o:
- konštrukciu genetickej mapy ľudského genómu s vysokým rozlišovaním,
- konštrukciu fyzických máp všetkých ľudských chromozómov,
- vývoj hardwarových a softwarových predpokladov na zber, distribúciu a analýzu získaných údajov,
- vytvorenie vhodných laboratórnych technológií,
- kompletizáciu sekvencie stavebných prvkov celého DNA obsahu genetickej výbavy človeka.
Mapy človeka Genetická mapa je schéma umiestnenia (lokalizácie) génov a známych sekvencií na chromozómoch. Klasické genetické mapy modelových organizmov (ovocná muška, myš a pod.), udávajúce lokalizáciu génov, sú k dispozícii už desiatky rokov. Ľudské genetické mapy však zatiaľ nemôžu byť založené na lokalizácii génov z viacerých dôvodov. Najzávažnejším a prakticky neprekonateľným dôvodom je nemožnosť cieleného kríženia jedincov (ako u modelových organizmov) s rôznymi geneticky determinovanými znakmi (chorobami), čo je základnou metódou konštrukcie genetických máp. U človeka sa na konštrukciu genetických máp dajú výhodne využiť odchýlky v zložení a štruktúre DNA, ktoré ale nemajú patologický efekt (nezapríčiňujú ochorenie). Jedná sa o tzv. polymorfizmy DNA. Ich výhodou je, že v genetickej výbave človeka sú hojné a majú veľký počet variantov, preto sa ľahko môžu nájsť manželstvá (t.j. kríženia) medzi nositeľmi rôznych variantov. Význam genetických máp je pre výskum dedičných ochorení obrovský. Sú nevyhnutnou podmienkou lokalizácie (určenia umiestnenia) génov v ľudskom genóme. Tvoria akési triangulačné - orientačné - body spleti genetickej výbavy človeka s obrovským rozsahom (3 miliardy nukleotidov). Ďalej umožňujú klonovanie génov, teda ich charakterizáciu, poznanie ich funkcie, identifikáciu poškodenia v nich, čo vedie k chorobe. Napokon sú schopné diagnostikovať tieto ochorenia v období, keď sa ešte klinické príznaky neobjavili. Uvedené poznatky sa následne využívajú pri vypracovaní metód efektívnej liečby a prevencie.
Chromozóm 22 Prvá genetická mapa človeka bola uverejnená v roku 1987 a obsahovala 403 triangulačných bodov. Odvtedy sa venovalo veľké úsilie a nemalé finančné prostriedky (aj v rámci HGP) na doplnenie a zvýšenie rozlišovacej schopnosti genetickej mapy človeka. Výsledkom tohto úsilia je, že už máme k dispozícii mapu s dostatočnou rozlišovacou schopnosťou, ktorá poskytuje rámec pre mapovanie génov, ako aj pre konštrukciu podrobnej fyzickej mapy ľudského genómu. Fyzické mapy s vysokým rozlišovaním sú priamymi predchodcami definitívnej fyzickej mapy človeka, čo vlastne predstavuje kompletnú sekvenciu všetkých 3 mld. stavebných prvkov.
Sekvenčná fyzická mapa DNA človeka sa bude skladať z 24 čiastkových máp, zodpovedajúcich 24 rôznym typom ľudských chromozómov. Jedna takáto čiastková mapa už bola skompletizovaná, a to je mapa chromozómu č. 22. Ide o druhý najmenší ľudský chromozóm, ktorý obsahuje 33,4 miliónov stavebných prvkov. Následnou analýzou postupnosti jeho stavebných prvkov sa zistilo, že obsahuje 545 génov. Jeden z nich je napr. zodpovedný za náchylnosť ku schizofrénii. O úlohe prevažnej väčšiny z nich sa zatiaľ nič nevie.
Známa budúcnosť? Zverejnenie DNA sekvencie chromozómu č. 22 svedčí o tom, že HGP je reálny a jeho ciele budú splnené ešte pred rokom 2005, čo je plánované ukončenie projektu. Dôkazom toho je aj oznámenie spoločnosti CELERA GENOMICS zo začiatku tohto roka, podľa ktorého sa v ich databázach nachádza už 90% sekvencie ľudského genómu. Podľa odhadu najneskôr do konca tohto roku bude k dispozícii kompletná sekvencia. Táto správa však veľkú časť výskumníkov (hlavne tých z chudobnejších štátov) veľmi nepotešila, lebo sa jedná o súkromnú spoločnosť a prístup k databáze pravdepodobne bude možný len za nie práve nízky poplatok. Hovorí sa o 50 000 dolároch za prístup na jeden rok.
Čo možno očakávať od HGP? Treba upozorniť, že prečítanie genetickej informácie zakódovanej v ľudskej DNA nebude znamenať, že o našom genóme a o jeho fungovaní vieme všetko. Je to ako správa napísaná v cudzom jazyku a cudzou abecedou. Aby sme pochopili jej význam, nestačí vylúštiť abecedu a prečítať text, musíme ovládať aj ten cudzí jazyk. Z tohto jazyka však zatiaľ poznáme len niekoľko slov. Aby sme porozumeli obsahu "správy" zapísanej v našej DNA, je potrebné zodpovedať ešte veľa otázok. Predovšetkým bude treba nájsť príslušnú funkciu k jednotlivým génom, odhaliť, ako sú regulované počas vývinu jedinca. Musíme zistiť, aká je úloha týchto obrovských oblastí ľudského dedičného materiálu, ktoré nemajú funkciu génov, ani regulačných elementov, ale pritom tvoria väčšinu DNA obsahu jadra, aké sú vzájomné interakcie medzi génmi a ešte mnoho ďalších otázok.
Pre prevenciu, proti chorobám Odpovede na uvedené otázky sa totiž nedajú vyčítať z postupnosti (sekvencie) stavebných prvkov. Napríklad sekvenciu niektorých ľudských génov poznáme už roky, ale ešte stále nie je celkom jasná ich úloha, ako fungujú a ako sú regulované. Aj v prípade chromozómu č. 22 je známa funkcia len pre malý zlomok z 545 identifikovaných génov. Ak si uvedomíme, že genóm človeka obsahuje 65 - 80 000 génov, výskumníkov ešte čaká veľké množstvo práce. Napriek tomu očakávané prínosy HGP v oblasti medicíny sú obrovské. Predovšetkým sa výrazne zrýchli a zefektívni proces identifikácie jednotlivých génov, zodpovedných za dedičné ochorenia. Doteraz to stálo roky úsilia mnohých výskumných tímov, keď však bude známa kompletná sekvencia ľudskej DNA, nebude potrebných viac ako niekoľko týždňov. Výrazný prínos sa očakáva aj v diagnostike ochorení, hlavne v predklinickom štádiu, čo sa odrazí v efektívnejšej prevencii u rizikových jedincov. Informácie o štruktúre génov urýchlia aj odhalenie ich funkcie v organizme s potenciálom vypracovania efektívnych liečebných zásahov, ak sú poškodené. Z týchto hľadísk teda prečítanie genetickej informácie ľudskej DNA je prvým, ale rozhodným krokom v smere spoznania štruktúry a funkcie našej genetickej výbavy. V zdraví, ale aj v chorobe.
Autor (1952) je vedecký pracovník Ústavu molekulárnej fyziológie a genetiky SAV
