Inimese genoomi projekt

"Inimese genoomi projekt" (HGP, inglise keeles "Human Genome Project") oli rahvusvaheline uurimisprojekt, mida koordineeris Inimese Genoomi Organisatsioon (HUGO, inglise keeles "Human Genome Organisation"). See projekt loodi aastal 1990 eesmärgiga kaardistada kogu inimese pärilikkuse materjal ehk genoom, st tuvastada DNA molekuli primaarse struktuuri nukleotiidne järjestus sekveneerimismeetodil. Sekveneerimise kaudu on võimalik uurida geenide funktsiooni. Geeni funktsiooni teadmine on oluline, kuna see sisaldab informatsiooni pärilikkuse kohta. DNA-l on keskne roll molekulaarbioloogia põhidogmas, mis näitab geneetilise informatsiooni ülekande suunda DNA ↔ RNA → valk. Inimese terve nukleotiidilise järjestuse teadmine annaks võimaluse leida haiguse tekkes osalevaid geene ning õppida paremini tundma haiguste tekkemehhanisme. Samuti aitaks see teadmine välja arendada uusi teraapiavõimalusi, nagu näiteks võimaldada tulevikus genotüübist sõltuv ravistrateegia ehk personaalne meditsiin. Haiguste tundmine molekulaarsel tasemel hõlbustaks ja täpsustaks haiguste diagnoosimist ning seeläbi tõstaks meditsiini kvaliteeti. Näiteks on DNA sekveneerimisel potentsiaal olla oluline vahend vähiravis.
Ajalugu.
Inimese genoomi projekt loodi küll 1990. aastal ja see vältas 13 aastat, kuid selle ajalugu ulatub kaugemale. 1953. aastal avastasid James Watson ja Francis Crick DNA molekulaarstruktuuri ja pälvisid sellega aastal 1962 Nobeli meditsiiniauhinna. 1953. aastat peetakse seetõttu molekulaargeneetika sünniaastaks. Esimese põlvkonna sekveneerimistehnoloogiat – Sangeri klassikaline ensümaatiline terminaatori meetod – tutvustati 1977. aastal, kui F. Sanger, S. Nicklen ja A. R. Coulson avaldasid artikli, milles tutvustasid uut meetodit nukleotiidide järjestuste determineerimiseks. Oluliseks verstapostiks on samuti rekombinantse DNA tehnoloogia avastamine Paul Bergi, Herbert W. Boyeri ja Stanley N. Coheni poolt aastal 1972.
Innustatuna edusammudest bio- ja geenitehnoloogia vallast tekkis rahvusvaheline huvi inimgenoomi kaardistamiseks. Bioteaduste Rahvusliku Teadusnõukogu Komitee (inglise keeles "National Research Concil’s Commission on Life Sciences") asutas inimgenoomi kaardistamise ja sekveneerimise komitee ("Committee on Mapping and Sequencing the Human genome") eesmärgiga saada teada, mida on vaja inimgenoomi edukaks järjestuse määramiseks. 1987. aastal ilmus komiteelt aruanne, milles muuhulgas seisis, et piisavalt võimekas tehnoloogia sekveneerimiseks praegu puudub, kuid on olemas selge visioon, kuidas seda välja töötada. 3 miljardi dollari projekt loodi ametlikult 1990. aastal Ameerika Ühendriikide Energeetikaministeeriumi (DOE, inglise keeles "US Department of Energy") ja USA Riikliku Tervishoiuinstituudi (NIH, inglise keeles "National Institutes of Health") poolt. Projekti kestuseks määrati 15 aastat. Projektis osalesid lisaks Ühendriikidele ka geneetikud Suurbritanniast, Prantsusmaalt, Austraaliast, Jaapanist jpt riikidest.
Algul oli projekti eesotsas üks DNA molekulaarstruktuuri avastajaid, James Watson, kes aga lahkus sellelt kohalt eriarvamuste tõttu instituudi direktori Bernardine Healyga, kelle sooviks oli määratud geenijärjestused patenteerida. Oma seisukoha geenide patentimise kohta esitas James Watson "amicus curiae" kohtule 15. juunil 2012. HGP-st alates on debateeritud, kas geene oleks võimalik patenteerida või mitte. Juunis 2013 langetas USA Ülemkohus otsuse, et DNA-d selle loomuliku vormina patenteerida ei saa. 1993. aastast võttis projekti juhtimise üle Francis S. Collins.
1998. aastal asutas USA geneetik ja ärimees Craig Venter erafirma Celera Genomics, kelle huviorbiidiks oli samuti inimgenoomi järjestamine. Inimgenoomi järjestamise projektist sai võistlus kahe uurimisrühma vahel. Erinevalt avalikult rahastatavast projektist, mis kasutas klooni kaupa sekveneerimise metoodikat ("clone-by-clone"), oli erafirma Celera Genomics sekveneerimistehnoloogiaks kogu genoomi "shotgun" ("whole-genome shotgun sequencing"). Celera erafirma poolt kasutatav meetod on efektiivsem, kuna pole vaja koostada kloonide füüsilist kaarti. Mõlemad osapooled soovisid esitleda sekveneeritud inimgenoomi esimesena. Inimgenoomi mustand avaldati mõlema võistleva teadlasrühma poolt samal päeval – 12. veebruaril 2000.
Alates 2003. aasta aprillist loetakse inimese genoom täielikult dešifreerituks. Avastus, et inimesel on 20 000–25 000 geeni, üllatas teadlasi, kuna oletati palju suuremat geenide arvu. Kuigi kõikide leitud geenide funktsioon ei ole veel teada, tegeletakse edaspidi nende uurimisega. Seega algatas Rahvuslik Inimese Genoomi Uurimisinstituut (NHGRI, inglise keeles "National Human Genome Research Institute") septembris 2003 järgnevaks projektiks ENCODE ("ENCyclopedia of DNA Elements"), mille eesmärgiks on tuvastada kõik funktsionaalsed elemendid inimgenoomi sekventsist.
Projekti eesmärgid.
Projekti eesmärkideks seati:
Projekti leiud.
Järjestuse analüüs paljastas mõned aspektid inimese genoomist:
HGP "versus" Celera Genomics.
Inimese genoomi projekt oli muutumas võistluseks, kui ilmnes, et ka Celera Genomicsi sooviks on inimese genoomi sekveneerimine. Nimelt aastal 1998. asutasid Applera Korporatsioon (inglise keeles "Applera Corporation") ja Craig Venter biotehnoloogiafirma Celera Genomics. Celera asutati eesmärgiga sekveneerida ja assambleerida inimese genoom kolme aasta jooksul. Venter on tunnustatud biokeemik-geneetik, kelle olulistemaks saavutusteks privaatprojekti jaoks on EST-ide ("expressed sequence tags") ja "shot-gun" sekveneerimise leiutamine. Kumbki osapool kasutas erinevat strateegiat. Celera Genomics kasutas kogu genoomi "shotgun"'i, sellal kui HGP kloonikaupa ("BAC to BAC") sekveneerimist. Venteri strateegia on tegelikult eelistatavam odavuse ja tõhususe poolest. HGP strateegiat aeglustab sekveneerimisele eelnev protsess – füüsilise kaardi koostamine. Fakt, et riiklikult rahastatav HGP ei pruugi olla esimene, kes esitleb täies mahus sekveneeritud inimese genoomi, sundis HGP direktorit tähtaegu ümber vaatama. Mõlemad leerid koopereerusid, kui USA president Bill Clinton ja Briti peaminister Tony Blair tegid märtsis 2000 ühisavalduse, milles leidsid, et terve informatsioon genoomist peab olema avalikkusele kättesaadav. Aprillis 2003 tegi Inimgenoomi Sekveneerimise Konsortsium avalduse, et inimese genoom on täielikult sekveneeritud. Inimese haploidses genoomis on umbes 3 miljardit DNA aluspaari.
HGP strateegia.
HGP strateegiat genoomi sekveneerimiseks nimetatakse kaardistusel baseeruvaks hierarhiliseks meetodiks ("hierarchical shotgun sequencing"). Kuigi HGP ja eraprojekt kasutasid nukleotiidide järjestuste määramiseks erinevat lähenemisviisi, rakendasid mõlemad sekveneerimise etapil Sangeri ensümaatilist terminaatori meetodit. Inimese genoomi projekti võib jagada kahte faasi. Esimene neist on pump-püss ("shotgun") faas. Pumppüssi faasis jaotatakse inimese kromosoomid sobiva suurusega DNA segmentideks, mis omakorda jaotatakse veel väiksemateks. Seejärel kattuvad DNA fragmendid sekveneeritakse. HGP tugineb eelnevalt koostatud füüsilisele kaardile, mis on aluseks DNA järjestusandmete tootmisele ja analüüsile. Teist faasi nimetatakse viimistlusfaasiks. Viimistlusfaasis leitakse lahendus DNA järjestuste ebamäärasusele, mis on tekkinud "shotgun" faasis.
"Shotgun" faasi võib jagada kolme etappi:
DNA-lõikude kloonimiseks kasutatakse kunstlikke kromosoome ("artificial chromosomes"), mis võimaldavad DNA-lõike kloonida. Antud juhul kasutati "E.coli" baasil konstrueeritud vektorit BACi. Projekti jaoks koostati 300 000 BACi kloonist raamatukogu ja need kaardistati genoomile, moodustades "sekveneerimisvalmis" kaardi.
HGP mõjutused.
Pärast HGP ametlikku lõppu on algatatud mitmeid inimese genoomiga seotud projekte.
Inimese genoomi projekt määras ühe anonüümse inimese põhjal DNA nukleotiidilise järjestuse, kuid personaalse meditsiini rakendamisel on oluline silmas pidada, et inimese genoomis võib alati leiduda teatud erinevusi. Seda teadmist silmas pidades loodi "Inimese geneetilise varieeruvuse projekt" (inglise keeles "the Human Variome Project"), mille eesmärgiks on koguda informatsiooni geneetilise variatsiooni ja tagada, et see oleks üldsusele avalikult kättesaadav. Projektist saadav andmestik on kasutatav tervishoius ja aitaks kiiremini, odavamalt ja täpsemalt tuvastada geneetilisi häireid. Sama eesmärgiga, kuid väiksemamõõdulise uurimuse, 1000 Genoomi Projekti (inglise keeles "the 1000 Genomes Project") tulemused avaldati juba oktoobris 2012 ajakirjas Nature.
Projekt ENCODE loodi eesmärgiga saada teada, mis on ülejäänud genoomi funktsioon, arvestades tõsiasja, et vaid 1,1% genoomist kodeerib valke. 2012. aastal avaldatud tulemused paljastasid, et nn rämps-DNA osaleb aktiivselt geeniekspressioonil.
Kuigi "Inimese genoomi projekt" on ametlikult lõppenud, pole töö selle projektiga veel kaugeltki läbi. Projekti tulemusena määrati vaid inimese DNA nukleotiidne järjestus, kuid palju tähtsam on mõista, mis funktsioon on leitud geenidel. Inimese Proteoomi Organisatsioon (HUPO, "Human Proteome Organization") on võtnud enda peale ülesande tuvastada inimese (geenide pealt kodeeritavad) valgud ning nende asukohad erinevates rakkudes ja kudedes.
Tänapäeval on rakendatud juba ka personaalset sekveneerimist. Craig Venteri genoom sekveneeriti 2007. aastal 2008. aastal määrati James Watsoni, Yang Huanmingi ja Dan Stoicescu genoomid. Uueks väljakutseks on geenidiagnostika võimaldamine vastsündinutele. Nimelt käivitab NIH programmi vastsündinute genoomi sekveneerimiseks. Programmist loodetakse saada kasulikku informatsiooni vastsündinute tervishoiu tarbeks.