ENCODE (ראשי תיבות של: "Encyclopedia of DNA Elements" - אנציקלופדיה של מרכיבי DNA) הוא מיזם מחקר ציבורי שהושק על ידי המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי בספטמבר 2003. לאחר השלמת פרויקט גנום האדם, שבו נקבע מהו רצף הבסיסים המרכיב את ה-DNA של האדם, עלה הצורך להבין את המשמעות הביולוגית של הרצף. מטרת מיזם ENCODE היא, לפיכך, לזהות את כל המרכיבים הפונקציונליים הנמצאים בגנום האנושי.
המיזם מאגד קבוצות מחקר רבות מרחבי העולם לקונסורציום. המידע שנצבר במיזם זה זמין לכל במאגרי מידע ציבוריים.
מניעים וחשיבות.
לאדם ישנם כ-20,000 גנים המקודדים לחלבונים, אשר מהווים רק כ-1.5% מה-DNA ההומאני. המטרה עיקרית של מיזם ENCODE הוא לקבוע את התפקיד של ה-DNA הלא מקודד, שכונה באופן מסורתי DNA זבל. רמות הפעילות והביטוי של גנים המקודדים לחלבונים מבוקרים על ידי הרגולום - מגוון של מרכיבים פונקציונליים ב-DNA, כגון קדמים (פרומוטורים), אזורים בעלי מבנה כרומטין מסוים ומודיפקציות על היסטונים. ההנחה היא ששינויים בבקרה של פעילות גנים פוגעים בביטוי התקין של החלבונים וכך עלולה לפגוע במסלולים מטבוליים שונים ולגרום למחלות. קביעת מיקומם של רצפי הבקרה וכיצד הם מבקרים ביטוי גנים עשויה לחשוף קשרים בין שונות בביטוי של גנים והתפתחות מחלות.
ENCODE גם שואף לשמש כמשאב מקיף כדי לאפשר לקהילה המדעית להבין טוב יותר כיצד הגנום משפיע על בריאות האדם, וכן לעורר את הפיתוח של טיפולים חדשים כדי למנוע את המחלות הללו ולטפל בהם.
הקונסורציום של ENCODE.
הקונסורציום של ENCODE מורכב בעיקר ממדענים אשר קיבלו מימון מהמכון הלאומי לחקר הגנום האנושי. שלב הפיילוט כלל שמונה קבוצות מחקר, ו-12 קבוצות שהשתתפו בשלב של פיתוח הטכנולוגיות. אחרי 2007, בסוף שלב הפיילוט, מספר המדענים השייכים לקונסורציום עמד על 440 מדענים השייכים ל-32 מעבדות ברחבי העולם. כיום המיזם מעניק קרנות למעבדות ברחבי העולם, כאשר כל מענק מחקר מיועד למטרה מסוימת. רשימה של קבוצות המחקר ושל מענקי המחקר ניתן למצוא באתר המיזם.
המיזם מהווה חלק מהקונסורציום הבינלאומי לאפיגנום האנושי (IHEC).
מיזם ENCODE.
המיזם תוכנן לפעול בשלבים. השלב הראשון והשני יושמו בו זמנית, ובהן התקיים שלב הפיילוט ושלב הפיתוח הטכנולוגי. בשלב הפיילוט נבחנו נוסו שיטות שונות הקיימות בעולם המחקר כדי לאפיין רצף DNA. בשלב הפיתוח הטכנולוגי פותחו כלים חדשים כדי לייצר מידע רחב היקף על מרכיבים פונקציונליים בגנום. לאחר השלמת השלבים הללו, נערך שלב הייצור, שבו יושמו השיטות והכלים מהשלבים הקודמים כדי ליצור נתונים שיהוו את תוכן האנציקלופדיה. כיום המיזם נמצא בשלבו הרביעי, שמהווה המשך לשלב הקודם, והוא כולל אפיון פונקציונלי וניתוח אינטגרטיבי עבור האנציקלופדיה.
מטרת השלבים הראשונים הוא לזהות סדרה של תהליכים בהם יהיה ניתן ליצור בצורה היעילה והחסכונית ביותר בתפוקה גבוהה מידע על המרכיבים הפונקציונליים בגנום. שלב הפיילוט נועד לגלות פערים במערך הכלים לאיתור מרכיבים פונקציונליים שהיה קיים אז, וכן לבדוק האם הכלים הקיימים יעילים מספיק ומתאימים ליישום בהיקף נרחב. חלק מהבעיות הללו טופלו בשלב השני של המיזם, אשר נועדה ליצור ולשפר כלים לחיזוי מרכיבים פונקציונליים חדשים ולזיהויין של המרכיבים הידועים. בעזרת שני השלבים הללו הותוותה הדרך הטובה והיעילה כדי לנתח את 98.5% של ה-DNA הלא מקודד בצורה מקיפה, יעילה וחסכונית.
שלב 1+2: פיילוט.
שלב הפיילוט בדק והשווה בין שיטות קיימות כדי לאפיין מרכיבים פונקציונליים בגנום. הקונסורציום נבנה כקונסורציום פתוח, וחוקרים שונים ממגוון תחומים חברו יחד כדי להעריך את היתרונות היחסיים טכנולוגיות, טכניקות ואסטרטגיות קיימות. שלב הפיילוט דרש שיתוף פעולה מתמיד של ביולוגים חישוביים וביולוגים נסיינים, כדי לשפר ולייעל את השיטות. בתור מטרה ראשונית הוגדר היעד של אפיון אזורים מסוימים המהווים כ-1% מהגנום (30Mbp). כל הנתונים שנצברו בשלב זה הועלו תוך זמן קצר למאגרי מידע ציבוריים.
בחירת האזורים לשלב הפיילוט.
לשלב הפיילוט נבחרו אזורים בהיקף של כ-1% מהגנום (30Mbp). אזורים אלו שימשו כבסיס לבחינת יעילות של מגוון שיטות וטכנולוגיות למציאת מרכיבים בגנום האנושי. לפני קביעת האזורים, הוחלט כי 50% מהאזורים לפיילוט ייבחרו בצורה ידנית, והיתר ייבחרו בצורה אקראית. הקריטריונים לבחירה הידני הם אזורים בהם ישנם גנים או רצפים אחרים שנחקרו היטב, וכן קיומם של נתוני על רצפים השוואתיים רבים. בשיטה זו הוגדרו 14 מקטעים באורך כולל של כ-15Mbp, בטווח אורך שבין 2Mbp ל-500Kbp. יתר ה-50% הורכב מ-3- מקטעים באורך קבוע של 500Kbp שנבחרו בצורה אקראית המבוססת על צפיפות גנית ורמת שימור של אזורים לא מקודדים (ראו פירוט). ההחלטה להשתמש בקריטריונים אלו נעשה על מנת להבטיח דגימה טובה של אזורים גנומיים מתוך כלל הרצף הקיים. הגנום חולק ל-3 חלקים: 20% עליונים, 30% בינוניים ו-50% תחתונים, על פני מערכת צירים שתלויה בצפיפות הגנים במקטע, ורמת השימור של האזורים הלא מקודדים בהשוואה לרצף האורתולוגי מעכבר.
תוצאות שלב הפיילוט.
שלב הפיילוט הסתיים בהצלחה והתוצאות פורסמו בכתב העת נייצ'ר ביוני 2007 ובגיליון מיוחד של Genome Research. הפרסום כלל את הדיווח על המידע שנצבר שזמין לציבור וכן גילויים חדשים על תפקידים האזורים הלא מקודדים. דגשים מתוך הפרסום:
שלב 3: שלב יצירת התוכן.
בספטמבר 2007 החל המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי במימון השלב השלישי של המיזם - בהיקף של למעלה מ-80 מיליון דולר על פני ארבע שנים. בשלב זה גם פעל מרכז תיאום נתונים, מרכז ניתוח נתונים ומרכז לפיתוח טכנולוגיות. בשלב זה, עם התפתחות טכנולוגיית ריצוף DNA, מדענים אספו מידע רב, בהיקף של כ-15 טרה-בתים של נתונים.
עד 2010, למעלה מ-1000 ניסויים ברמה גנומית נערכו. ניסויים אלו הראו אלו אזורים משועתקים ל-RNA, אילו אזורים כנראה משמשים כאזורי בקרה בסוגי תאים מסוימים, ואילו אזורים נמצאים בקשר עם מגוון חלבונים שנבדקו. הניסויים העיקרי בהם השתמשו כדי לבנות את מאגר הנתונים הם: ChIP-seq, DNase I Hypersensitivity,RNA-seq ובדיקת המתילציות על DNA.
תוצאות שלב יצירת התוכן.
בספטמבר 2012 המיזם פרסם סדרה רחבה יותר של תוצאות, בצורה של 30 מאמרים שפורסמו בו זמנית במספר כתבי עת: שישה בנייצ'ר, שישה ב-Genome Biology, וגיליון מיוחד עם 18 פרסומים של Genome Research. המאמרים תיארו את יצירת התוכן וניתוח ראשוני של 1,640 מערכי נתונים שנועדו לאפיין את כלל המרכיבים בגנום האנושי, שהתבצעו ב-147 סוגי תאים שונים. נתונים אלו שולבו עם נתונים אחרים, כמו ניסויים נוספים שהתבצעו ברמה הגנומית (GWAS) ואזורים בעלי דחפים אבולוציוניים. מאמצים אלו חשפו מאפיינים חשובים על ארגון ותפקוד הגנום האנושי, שהתפרסמו במאמר סקירה שהוקדש לעניין:
הגילוי המרעיש ביותר של המיזם הוא שהחלק הפעיל ב-DNA האנושי גבוה במידה ניכרת מהאומדנים האופיטמיים: כ-80% מהגנום הוגדר כבעל פעילות ביוכימית, כאשר רובו מעורב בבקרה של רמות הביטוי של האזורים המקודדים, המהווים כ-1.5% מה-DNA.
המרכיבים הבולטים שנוספו ל'אנציקלופדיה' בשלב זה:
מיזמים נוספים.
עם ההתקדמות לשלבו השלישי של המיזם, הוחלט להתרחב גם למיזמים נוספים בעלי מטרות מקבילות.
modENCODE.
MODel organism ENCyclopedia Of DNA Elements) -modENCODE, בעברית: אנציקלופדיית מרכיבי DNA של אורגניזם מודל), הוא מיזם שמטרתו לזהות את האזורים הפונקציונליים באורגניזם מודל, ספציפית בזבוב הפירות ובסי אלגנס. ההרחבה לחיות נוספות מאפשר אימות לתוצאות הניסוייות והחישוביות מהמיזם באדם, דבר שקשה או בלתי אפשרי לעשות באדם. המימון לפרויקט ניתן ב-2007 מאת ה-NIH, והוא הופנה לכמה מעבדות מחקר בארצות הברית. המיזם הושלם בשנת 2012.
modERN.
modERN (קיצור של model organism encyclopedia of regulatory networks, בעברית: האנציקלופדיה של רשתות הבקרה באורגניזם מודל), הוא הסתעפות של modENCODE. המיזם איחד את קבוצות המחקר שעסקו בזבוב הפירות ובתולעת סי אלגנס ומתמקד בזיהויים של אתרי קישור לגורמי שעתוק. המיזם החל במקביל לשלבו השלישי של ENCODE, ואמור להסתיים בשנת 2017. עד היום פורסמו 198 ניסויים, ועוד כ-500 נמצאים בשלב הניתוח.
גנומיקה של בקרת גנים.
בתחילת שנת 2015 הושק המיזם לחקר בגנומיקה של בקרת גנים ((Genomics of Gene Regulation (GGR) על ידי ה-NIH. מטרת המיזם הוא לחקור רשתות גנים ומסלולים במערכות שונות בגוף, כדי להבין בצורה מעמיקה יותר את המנגנונים השולטים בביטוי גנים. נתוני המיזם מאוחסנים בפורטל מיזם ENCODE.
'מפת דרכים'.
בשנת 2008 החלו ליצור ב-NIH את הקונסרציום למיפוי מפת הדרכים האפיגנטית, שמטרתו ליצור משאב ציבורי של מידע אפיגנטי אנושי כדי לזרז מחקרים בתחומי הביולוגיה הבסיסית והביולוגיה היישומית. המשימה הושלמה בפברואר 2015, בפרסום של ניתוח אינטגרטיבי של 111 אפיגנומים אנושיים. יחד עם 16 אפיגנומים ממיזם ה-ENCODE, הקונסרציום הגדיר אזורי בקרה על סמך השוואה של 127 אפיגנומים שונים. האפיגנומים זמינים לציבור הרחב במרשתת.
fruitENCODE.
האנציקלופדיה של מרכיבי ה-DNA המשפיעים על התפתחות פרות בצמחים, שואפת להכיל מידע על המתילציות על ה-DNA, מודיפיקציות היסטונויות, נגישות הכרומטין, ביטוי הגנים, אזורי קישור של גורמי שעתוק של כל הפירות הבשרניים לאורך שלבי ההתפתחות שלו.
הסתייגויות.