Enciklopedija DNA: Novi nalazi izazivaju utemeljene poglede na ljudski genom

Science Daily — Internacionalni istraživački konzorcij je upravo objavio skup tekstova koji obečavaju promjenu našeg shvaćanja o tomu kako funkcionira ljudski genom. Nalazi izazivaju tradicinalni pogled na naš genetički plan kao uredne kolekcije nezavisnih gena, ukazujući umjesto toga na kompleksnu mrežu u kojoj geni, zajedno s regulacijskim elementima i drugim tipovima DNA sekvencija, koje ne kodiraju proteine, interagiraju preklapajući se na načine koje još ne shvažamo potpuno. .

U grupi tekstova objavljenim u broju časopisa Nature od 14.6.2007. te u 28 090ratnih tekstova publiciranim u lipanjskom broju Genome Research, ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE) konzorcija, koga je organizirao dio Nacionalnog instituta zdravlja - National Human Genome Research Institute (NHGRI), izvješćuju o svom sveobuhvatnom, četverogodišnjem naporu na stvaranju djelomične liste svih bioloških funkcionalnihelemenata u 1% ljudskog genoma.  Istraživanje je realiziralo 35 grupa iz 80 organizacija  pirom svijeta, istraživanje koje je služlo kao pilot istraživanje za testiranje fizibilnosti inicijative za kompletno istraživanje kako bi se realizirao sveobuhvatni katalog svih komponenata ljudskog genoma, krucijalnog za biološko funkcioniranje.

"Ovaj impresivni napor je razotrkio mnoga uzbudljiva iznenađenja i osvijetlio put budućim nastojanjima u istraživanju funkcionalnog krajolika cijelog ljudskog genoma", rekao je NHGRI director Francis S. Collins, M.D., Ph.D. "Zbog detaljnog rada i prekrasnih uvida ENCODE konzorcija, znanstvena zajednica će morati ponovno promišljati neka dugo-postojeća stajališta o tomu što su geni i što čine, kao i kako su evoluirali funkcionalni elementi genoma. To bi moglo imati značajne implikacije na identificiranje DNA sekvencija uključenih kod mnogih ljudskih bolesti".

Završetak Projekta ljudskog genoma u travnju 2003. je bilo glavno postignuće, no sekvencioniranje genoma je označilo tek prvi korak prema cilju korištenja takvih informacija za dijagnosticiranje, tretiranju i spriječavanje bolesti. To što imamo sekvenciju ljudskog genoma je slično posjedovanju svih stranica instrukcijskog priručnika za stvaranja ljudskog tijela. No istraživači ipak još moraju naučiti čitati jezik priručnika, kako bi mogli identificirati svaki dio i shvatiti kako dijelovi međusobno surađuju u doprinošenju zdravlju odnosno bolesti.

U nedavnim godinama znanstvenici su napravili glavni veliki korak u korištenju podataka o DNA sekvenciji za identificiranje gena, koji su tradicionalno definirani kao dijelovi genoma, koji kodira proteine. Komponenta proteinskog kodiranja tih gena čini samo mali dio ljudskog genoma - 1,5 do 2 %. Postoje dokazi kako i drugi dijelovi također imaju važne funkcije.

Međtuim, sve do sada, većina se studija koncentrirala na funkcionalne elemente pridružene specifičnim genima pa nisu pružale uvide o funkcionalnim elementima pocijelom genomu. ENCODE projekt predstavlja prvi sustavni napor za utvrđivanje mjesta n akojima su smješteni svi tipovi funkcionalnih elemenata i kako su organizirani.

U pilot fazi ENCODE istraživači su dizajnirali i testirali pristupe velike propusnosti za identificiranje funkcionalnih elemenata u genomu. ti elementi uključuju gene koji kodiraju proteine, gene koji ne kodiraju proteine, regulacijske elemente koji kontroliraju transkripciju gena i elemente koji održavaju strukturu kromosoma i posreduju u dinamici njihove replikacije.

Kolaborativna studija se fokusirala na 44 cilja, koji zajedno prekrivaju ko 1% sekvencije ljudskog genoma ili kok 30 milijuna DNA parova baza. Ciljevi su bili strateški selektirani kako bi pružili reprezentativni presjek cijelog ljudskog genoma. Skupno uzevši, ENCODE konzorcij je generirao više od 200 podatkovnih skupova i analizirao više od 600 milijuna podatkovnih elemenata (točaka).

"Naši rezultati su otrkili važne principe organizacije funkcionalnih elemenata u judskom genomu, pružajući nove perspektive o mnogim stvarima od DNA transkripcije do evolucije sisavaca. Posebno su dobiveni uvidi u DNA sekvencije koje ne kodiraju proteine, a o kojim smo ranije znali vrlo malo", rekao je Ewan Birney, Ph. dr, šef anotacije genoma u Europskom biološkom laboratoriju europskog bioinformatičkog instituta - European Molecular Biology Laboratory's European Bioinformatics Institute (EBI) u Hinxton-u, Engleska, koji je vodio masivnu integraciju podataka i analizu rezultata ENCODE-a..

Glavni nalazi ENCODE konzorcija uključuju otkriće kako se većina DNA u ljudskom genomu prepisuje u funkcionalne molekule, nazvane DNA te kako se ti transkripti ekstenzivno preklapaju međusobno. Ta široka mustra transkripcija izaziva duog postojeće stajalište kako se ljudski genom sastoji od relativno malog skupa diskretnih gena, zajedno s ogromnom količinom tako zvanih 'junk' DNA (beskorisnih DNA), koje nisu biološki aktivne.

Novi podaci indiciraju kako genom sadrži vrlo malo nekorištenih sekvencija i, u stvari, predstavlja kompleksnu isprepletnu mrežu  U toj mreži, geni su samo jedan od mnogih tipova DNA sekvencija koje imaju funkcionalni utjecaj. "Naše perspektive glede transkripcije i gena će morati evoluirati", tvrde istraživači u svom Nature tekstu, napominjući kako mrežni model genoma "postavlja neka interesantna mehanicistička pitanja", koja tek treba odgovoriti.

Druga iznenađenja ENCODE podataka imaju veliki utjecaj na naše shvaćanje evolucije genoma, posebno genoma sisavaca. Sve do nedavno su istraživači mislili kako bi većina DNA sekvencija važna za biološku funkciju trebala biti u području genoma, koji su podvrgnuti evolucijskoj restrikciji - to znači, koji bi tebali biti konzervirani evolucijom vrste. Međutim, ENCODE rezultati su pokazali kako oko polovice funkcionalnih elemenata ljudskog genoma ne izgleda ograničavana tijekom evolucije, barem kada se bili ispitivani postojećim metodama kompjutacijskih biologa.

Prema istraživačima ENCODE-a, to nepostojanje evolucijskih ograničenja bi moglo indicirati kako mnogi genomi vrsta sadrže bazu funkcionalnih elemenata, uključujući i RNA transkripte, koji ne pružaju nikakvu specifičnu korist u terminima preživljavanja ili reprodukcije. Kada se ta baza promeće tijekom evolucijskog vremena, istraživači špekuliraju, kako bi ona mogla služiti kao "skladište za prirodnu selekciju" djelovanje kao izvor funkcionalnih elemenata jedinstvenih za svaku vrstu i elemenata koji  koji izvode slične funkcije kod drugih vrsta uprkos tomu što imaju sekvencije koje su naizgled različite.

Drugi rezultati ENCODE rada uključuju:

• identifikaciju brojnih ranije neprepoznatih startnih mjesta DNA transkripcije
• Dokaze da su, suprotno tradicionalnim stajalištima, regulatorne sekvencije vjerojatno locirane na obje strane od startne točke transkripcije na DNA spirali
• identificiranje specifičnih markera promjene u povijesti, u formi proteina koji organiziraju DNA te koreliranje tih markera s različitim genomičkim funkcijama
• dublje razumijevanje načina koordinacije DNA replikacija, modifikacijama u povijestima.

"Timski rad je bio esencijalan za uspijeh tog rada. Nije moguće koristiti niti jedan eksperimentalni pristup za identificiranje svih funkcionalnih elemenata u genomu. Stoga je bilo nužno izvoditi višestruke, različite eksperimente i onda ih analizirati korištenjem višestrukih kompjutacijskih metoda", kazala je Elise A. Feingold, Ph.dr., direktorica ENCODE programa u NHGRI Odjelu za vanjska (studentska) istraživanja, koja su pružila većinu novca za pilot projekt.