Изненадите след разчитането на човешкия геном

След разшифроването на азбуката на живота с помощта на проекта „Човешки геном“ все по-често чуваме да се говори за редакция на гени, ДНК-разузнаване, генетично програмиране, биохакерство, дори синтез на геноми. 

Защо поради броя на своите гени не трябва да се възгордяваме в сравнение с черната топола и кръглият червей?

С Росица Панайотова, автор и водещ на предаването "Лабиринти на познанието" по БНР Програма "Христо Ботев" разговаряме за предизвикателствата, пред които се изправят учените след като човешкия т геном бе разчетен и се появи модерната наука „епигенетика“. 

Интервюто може да чуете на следния линк:  Изненадите след разчитането на човешкия геном

 

 

доц. д-р Милена Георгиева
Милена Георгиева е доцент по молекулярна биология и магистър по клетъчна биология и ембриология. Научните ѝ интереси и търсения са в сфери като молекулярна биология и генетика, епигенетика, и съвременна биомедицина. Тя е автор на над 50 научни публикации в реферирани международни списания. Ръководител и участник е в редица научно-изследователски проекти към национални, и международни финансиращи агенции.Популяризира науката в България с участия в радио и телевизионни предавания. Лектор е на TED платформата.

ЕЗИКЪТ НА ЖИВОТА

Чудото ДНК

Цялата същност на човека, на всички животни и растения, изобщо на всичко живо е закодирана в ДНК. Различната подредба на четирите нуклеотида – Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин) и А (аденин) в тази верига, определя какви сме, как живеем, как се справяме с различни видове стрес, към какви заболявания евентуално сме предразположени……

Историята започва така....

Всичко започва в началото на 40^те години на миналия век, време, в което учените все още трудно възприемат молекулата на ДНК като носител на генетична информация. На пръв поглед, структурата на ДНК е много простичка: две комплементарни (взаимносвързани и съответстващи си) полинуклеотидни вериги, всяка от които е съставена от различно подредени четири нуклеотида. Тези четири нуклеотида се означават с буквите А, Г, Ц и Т, и са подредени в специфична последователност (АГЦТТТАЦГ.......), която е уникална за всеки жив организъм. 
В началото нищо не подсказва, че в тази наглед елементарна картина се крие генетичната информация на всеки жив организъм и нещо по-важно, разликите в подредбата на тези четири букви по дължината  на ДНК определя различията между всички нас.  

Благодарение на упорития труд на учените и в частност на късмета на двама от тях Франсис Крик и Джеймс Уотсън, беше разкрита тайната на ДНК. Открит беше двуспиралният модел на нейната молекула (1953), което даде бърз тласък на науката Молекулярна биология. Това откритие позволи на учените да си представят как се извършват основните молекулни процеси върху ДНК, които в крайна сметка контролират и определят функциите й. Връзката между структура и функция се оказа от голямо значение за съществуването на живите организми. С времето се натрупаха данни, които показаха, че начинът, по който молекулата на ДНК е организирана, т.е. нагъната и пакетирана в ядрото, влияе директно върху клетките, а оттам и върху целия организъм. Тази организация на ДНК определя съхранението на генетичната информация, предаването й по време на клетъчното делене, поддържа стабилността на нейната молекула, както и включването и изключването на определени гени в хода на живота на клетките.

Начало на ДНК революцията

Проектът Човешки Геном (Human Genome Project - HGP) стартира през 1990 г. в САЩ с бюджет от 3 млд. долара, предоставени на консорциум от 2000 учени от 20 лаборатории, разположени в шест държави – САЩ, Япония, Великобритания, Германия, Испания и Франция. Първоначалната продължителност на проекта беше предвидена за 15 години. Предвидено беше да бъде разчетен само хаплоидния* човешки геном, т.е. 23^те на брой хромозоми на сборна група от няколко анонимни донора на генетичен материал. С други думи ДНК на няколко неидентифицирани индивида беше смесена и тогава започна разчитането ѝ, като идеята беше да се получи усреднена, сборна информация от тези донори. Проектът, обаче, беше завършен частично за 10 години през 2000 г., когато беше публикувана 90% от нуклеотидната последователност на човешкия геном и напълно през 2003 г. Тогава беше анонсирано революционното пълно разчитане. Доказано беше, че размерът на хаплоидния* човешкия геном е 3 милиарда нуклеотидни двойки. Голямата изненада дойде по-късно, когато учените показаха, че човешкият геном  съдържа само около 20 000 – 25 000 гена, което е около 2% от цялата ДНК. Останалата част доскоро беше наричана „излишна“ ДНК. През следващите десетина години това понятие претърпя големи промени и днес се смята, че точно тази част на ДНК е много важна, едва ли не, по-важна от самите гени, защото контролира работата на генома. Нещо повече, беше показано че разликите между генома на човека и този на мишките, винените мушици и шимпанзето не са много големи. Така например, между човек и шимпанзе разликата в ДНК последователностите е едва 1.8% и въпреки това двата вида се различават драстично. Днес се смята, че разликите между видовете, а и между самите индивиди идват не от генома като цяло, а от начина на работа на този геном, което пък от своя страна се контролира именно от тази смятана доскоро „излишна“ ДНК.

*Човешкият геном е диплоиден, което означава, че притежава двойка от всяка хромозома. Геномът ни се състои от 23 двойки хромозоми, общо 46 на брой хромозоми (22 двойки автозоми и една двойка полови хромозоми – Х и У). Всяка хромозома представлява една отделна молекула ДНК. Всяка клетка на един човешки организъм има еднакъв геном, т.е. 23 двойки хромозоми, които са напълно еднакви във всички видове клетки на един човек.
Хаплоидният хромозомен набор е представен само по 1 хромозома от хомоложната двойка.

проф. д-р Георги Милошев Специалности: Молекулярна биология и генетика, Епигенетика, Генотоксикология, Екогенотоксикология, Нутригеномика и Епигеномика, Генетика и Епигенетика на асистираната репродукция, Епигенетика на остаряването Дългогодишен популяризатор на науката в България.

доц. д-р Милена Георгиева Специалности:   Генетика, Епигенетика, Молекулярна биология, Нутригеномика, Нутриепигеномика, Епигенетика на заболяванията и остаряването Популяризатор на науката в България.

НЕАНДЕРТАЛСКИЯТ ГЕНОМ ПРОДЪЛЖАВА ДА НАШЕПВА

Живеем в интересни времена. От една страна не минава месец без в космоса да се открие нова планета, все по-близка по размери и отстояние от звездата си и вероятно с условия за живот подобни на земните. От друга страна, секвенирането на неандерталски геноми, а и на други първобитни хора, живели по същото време, продължава. 

И търсенето на близки по условия до Земята планети, и изучаването на архаични геноми по същество са насочени към една цел: да разберем кои сме ние и каква е била, и каква ще бъде нашата съдба.

Какво още може да каже ДНК на неандерталеца за нас?

Едно много интересно сравнение между неандерталски геноми с геномите на 28 000 пациенти с различни заболявания показва, че ДНК, която сме унаследили от неандерталците, води до предразположение към остеопороза и заболявания, свързани със съсирването на кръвта. Други унаследени от неандерталците генни варианти определят заболявания като депресия, затлъстяване и кожни заболявания. Има и няколко генни варианта, които определят качествата на нашата имунна система и които също сме получили от неандерталците.

Когато Homo sapiens е дошъл в Европа, той се е сблъскал с нови антигени. За реакция към тях е трябвало производство на антитела от съвсем нови варианти на гените, отговорни за тяхното производство? Разбира се, че по-лесно е такива варианти да се заемат от неандерталците, които отдавна вече живеят тук и следователно ги притежават, вместо да разчитаме на стотици хиляди години еволюция. Между гените, които сме унаследили по този начин от неандерталците, са и гените за така наречените Toll-like рецептори, които разпознават патогени и предизвикват бърз имунен отговор. Следователно тези от нас, които притежават генни варианти за „неандерталски“ Toll-like рецептори, реагират по-силно и бързо на патогени. Засега не знаем дали това е предимство или недостатък. Вероятно зависи от конкретната ситуация. Има обаче и други генни варианти на неандерталеца у нас, водещи до двойствен ефект. Така, например, генни варианти от неандерталеца намаляват възможност за развитие в стомаха на Helicobacter pylori и следователно по-малка вероятност за развитие на язва, но едновременно с това предразполагат към повече алергии.

Работата по сравняване на геномите продължава и никой не знае докъде ще стигнем, но със сигурност научаваме повече за това кои сме ние.

Един от последните анализи показва, че неандерталците са ни предали варианти на гени, които спомагат за намаляване на загубата на телесна топлина и са отговорни за това косата ни да е по-плътна.

Какво еволюционно предимство дават тези варианти е друг въпрос.

доц. д-р Георги Милошев Специалности: Молекулярна биология и генетика, Епигенетика, Генотоксикология, Екогенотоксикология, Нутригеномика и Епигеномика, Генетика и Епигенетика на асистираната репродукция, Епигенетика на остаряването Дългогодишен популяризатор на науката в България.

Е-та в храните - нов поглед

 

В броя си от септември 2014 г. Списание 8 публикува очерк със заглавие „Разрешени Е-та увреждат ДНК”. Той беше посветен на резултатите от наскоро приключило научно изследване върху влиянието на някои хранители добавки, означавани с Е номер, извършено от екипа ни (Лабораторията по молекулярна генетика към Институт по молекулярна биология към БАН) с ръководител доц. Георги Милошев.

Прилагайки иновативен метод, установихме, че 6 добавки в храните, означавани с Е, увреждат ДНК. Дори в дози, многократно по-ниски от сега разрешените, те създават риск от рак и други заболявания. 

Това са три оцветителя - еритрозин (Е127), индиго кармин (Е132) и фаст грийн (E143);  консервантът - натриев нитрит (E 250) и 4-аминоантипирин (4ААР) - с широко приложение във фармацевтичната промишленост.

Установихме, че допустимите стойности на изследваните Е-та предизвикват увреждане в ДНК. Причиняват скъсвания във веригата на ДНК – на едната или и на двете нишки. Това води до възникване на мутации в ДНК и може да повлияе негативно процесите на репликация (удвояване на ДНК) и/или транскрипция (презаписването на информация), което е опасно за организма. 
Основното следствие от уврежданията в ДНК е, че те могат да предизвикат рак.

Изследването показа, че опасността остава дори при намаляване на дозата на тестваните Е-та.

Категорични сме, че за да няма увреждане в  ДНК и съответно риск от рак, въпросните 6 Е-та трябва да са в концентрации от 10, 100 и дори 1000 пъти по-малки от сега нормативно разрешените. 

TAЙНИТЕ НА НАШАТА ДНК

Готови ли сме за морето от генетични данни, които изследователски екипи генерират почти ежеседмично, работейки по едни от най-големите проекти в областта на Биомедицината?

Такива проекти като Проектът „Човешки Геном“, Проектът „1000 човешки генома“ и други обединяват усилията на много учени в големи международни консорциуми. Целта е стъпка по стъпка, нуклеотид по нуклеотид  да разкрият тайната на живота, закодирана в ДНК. 

Количеството наследствена информация във всеки един от нас е огромно. Броят на нуклеотидите  (четирите на брой буквички: А, Г, Ц и Т) е 3х10⁹ и те са подредени уникално по дължината на ДНК молекулите на всеки човек. Всяка една промяна (мутация) в тази последователност може да е начало на сериозно генетично заболяване.

Познаването на генома и най-вече разпознаването на мутациите в него, ще отвори вратите към света на бъдещето, което вече всички смело наричат „ПЕРСОНАЛИЗИРАНА МЕДИЦИНА“. Това бъдеще никак не е далече, стои точно пред нас, намира се зад една врата.

Но дали сме готови да отворим тази врата?

Едва ли всеки би бил любопитен да разбере какво говори неговата ДНК и притежава ли някакви мутации, които биха били предвестник на някакво заболяване. Такова заболяване дори да не се e проявило все още, спи там някъде в гените ни и като звяр дебне подходящия момент да плячкоса нашето здраве и спокойствие.

Миналата седмица бяха публикувани резултатите от мащабно социологическо проучване в тази насока, в което участие взеха 7000 човека с различни професии и интереси от 75 различни страни по света. Проучването беше стартирано от международен научен екип от водещи медицински центрове и университети в Англия и Австралия. Това стана няколко месеца след публичното огласяване на намеренията на известна биотехнологична компания да секвенира 100 000 индивидуални генома до края на 2017 г. Участниците трябваше да отговарят на въпроси, свързани с разпространяването и достъпа до лична генетична информация, която се получава при провеждане на генетични анализи. 

Много от компаниите, които изпълняват генетични проекти, използват генетичен материал от доброволци, които, разбира се, дават своето информирано съгласие за това. Трябва да кажем, обаче, че все още правно и етично не е регламентирано какво е редно да направят компаниите, когато генерират генетични данни и попаднат на откритие или имат информация за евентуална опасност от развитие на заболяване в някои от донорите. 

Вероятно прибързано, всеки би казал, че трябва да се съобщи на донора. 

Ние също заставаме зад такова решение, но какви последствия би имал такъв акт за живота, семейството и приятелите на тези хора, е все още рано и доста трудно да се предскаже.

Ето защо инициативи като това проучване са много важни, защото те най-точно напипват пулса и настройките на обществото по такива жизненоважни въпроси.

Какъв е резултатът? 

За най-голяма, но и доста приятна изненада от това проучване 98 % от всички участници са отговорили, че биха искали да знаят, ако някъде в генома им се таи мутация, която би довела до сериозно заболяване. Далеч по-малък е процентът на желаещите да бъдат информирани дори за не чак толкова сериозни състояния. Интересно е, че 60% са любопитни да получат и информация за произхода си. 

Това, на което се набляга и което провокира и нас да пишем по тази тема, е откритието, че професионалните учени и медицинските работници проявяват пет пъти по-голямо желание да разберат какво казва тяхната ДНК. 

И това не е случайно, а смело, разумно и много напредничаво. Защото това да съществува мутация в генома ни, която да води до генетична промяна, не винаги означава, че ще се прояви заболяване. А когато човек е наясно за звяра в неговия геном, би могъл много разумно да подходи към проблема, като се опита чрез промяна в начина си на живот да предотврати или поне да забави във времето неговото проявление.

Вие как мислите?

Искате ли да бъдете информирани за мутации и изменения във вашата ДНК? 

д-р Милена Георгиева Специалности:   Генетика, Епигенетика, Молекулярна биология, Нутригеномика, Нутриепигеномика, Епигенетика на заболяванията и остаряването Популяризатор на науката в България.