După
descifrarea structurii genomului uman a urmat „faza de exploatare“ a datelor obţinute
– un proces complex, dificil şi de durată. Obiectivul principal al acestei
etape de „adnotare“ este determinarea semnificaţiei şi rolului diferitelor
categorii de elemente structurale din genom. A început astfel epoca genomicii funcţionale, care studiază
funcţiile ADN genomic, precum şi funcţiile produselor sale, moleculele de ARN
transcrise şi proteinele, care constituie în ansamblul lor transcriptomul şi proteomul*.
Misiunea genomicii funcţionale este mult mai dificilă, deoarece, spre
deosebire de genomica structurală („statică“), genomica funcţională este
„dinamică“; ea studiază „elemente“ (ARN, proteine, metaboliţi) ce se modifică „în
timp“ (în diferite etape ale dezvoltării organismului) şi „în spaţiu“ (în diferite tipuri de celule, ţesuturi,
organe) şi interacţionează unele cu altele.
În
esenţă, genomica funcţională urmăreşte elucidarea
relaţiei dintre genomul şi fenotipul organismului, în stare de sănătate şi boală.
Pentru medicina genomică, această abordare este deosebit de importantă întrucât
modificările expresiei genelor, transcriptelor ARN şi proteinelor într-o anumită
boală vor permite înţelegerea aprofundată a patogeniei sale, precum şi
dezvoltarea unor noi mijloace terapeutice care vor fi nu numai „ţintite“ pe un
anumit proces sau cale patogenică, dar şi „individualizate“, adaptate la
profilul personal de expresie genomică. Primele beneficii au început să apară în
studiul unor forme de cancer, cum este, de exemplu, cancerul de sân.
Nivelul
primar de abordare a genomicii funcţionale este reprezentat de studiul funcţiilor
ADN genomic, în special al genelor şi elementelor transcrise. Să ne reamintim că,
potrivit dogmei centrale a biologiei
moleculare (ADN –> ARNm –> proteină), gena este un segment liniar de
ADN ce deţine informaţia codificată pentru realizarea unei funcţii, cel mai
adesea pentru sinteza unei/unor proteine; în nucleul celulei, această informaţie
este mai întâi copiată (transcripţie)
într-o moleculă de ARN mesager, care este apoi transportată în citoplasmă, la
ribozomi, unde este decodificată (translaţie)
într-o anumită succesiune de aminoacizi ce formează un polipeptid, o proteină.
Aceste procese sunt reglate la mai multe niveluri, pentru ca sinteza de
proteine să se realizeze într-un anumit moment, într-o anumită celulă şi cu o
anumită intensitate; reglajul genic este poate mai important decât informaţia
deţinută de genă. Obiectivul global al genomicii funcţionale (şi în special al Proiectului ENCODE – „ENCyclopedia of DNA elements“)
este catalogarea şi înţelegerea tuturor elementelor funcţionale ale genomului
uman (gene şi secvenţe non-genice). Înainte de a încerca succinta lor
prezentare, aş dori însă să subliniez că elucidarea integrală a structurii,
funcţiei şi reglării genelor este mai importantă decât un „exerciţiu academic“,
deoarece furnizează mijloace şi căi
pentru o abordare mai bună a diagnosticului, prognosticului, terapiei şi
profilaxiei bolilor umane. Înţelegerea genomicii este premisa necesară
pentru înţelegerea unor noi direcţii majore de progres ale medicinii actuale!
Primele
rezultate obţinute în genomica funcţională par să bulverseze cunoştinţele
noastre anterioare. Astfel, descoperirea unor gene intricate (gene incluse în
alte gene) sau suprapunerea unor gene ARN cu gene ce codifică proteine ş.a. –
impun o reevaluare a definiţiei tradiţionale
a genei ca „unitate a eredităţii“ care determină „un anumit fenotip/o funcţie”. Se trece de la un model „liniar“ la
unul „modular“, în care gena – ca segment de ADN bicatenar – este o asociere de
mai multe secvenţe (module), potenţial suprapuse, ce pot fi transcrise de pe
una sau de pe cealaltă catenă a ADN, codificând mai multe produse finale funcţionale, proteine şi/sau ARN. Astfel
se explică de ce genomul uman, având doar circa 21.000 de gene ce codifică
proteine (mai puţine decât la alte specii), poate produce un număr mult mai
mare şi mai variat de produse funcţionale.
La
fel de surprinzătoare a fost identificarea unei mari diversităţi a secvenţelor şi a mecanismelor multiple de
reglare a expresiei genei, ce implică multiple şi variate interacţiuni între ADN genic sau ARN mesager
şi proteine sau molecule de ARN reglatoare. Ele formează reţele de control complexe, înrudite cu interacţiunile dintre
circuitele unui computer. În acest context se include rolul reglator, divers şi
omniprezent, al moleculelor de ARN necodant
(ARNnc). Unele molecule ARNnc sunt „scurte/mici“ (20–100 de nucleotide),
fiind reprezentate mai ales de microARN (ARNmi)şi ARNmic interferent (ARNsi),
care se fixează complementar pe molecule de ARN mesager şi reprimă translaţia
lor. Alte molecule de ARNnc sunt „lungi/ mari” (peste 200 de nucleotide), de ex
ARNlinc (de la „long intergenic ncRNA“),
care reglează expresia ADN genic. ARNnc lung reprezintă interfaţa dintre
proteinele reglatoare (care sunt identice în celule diferite şi chiar la specii
diferite) şi ADN genomic din anumite regiuni; aşa cum „controlorii traficului
aerian“ organizează avioanele în aer, aterizarea şi decolarea lor, ARNnc lung
determină intrarea sau ieşirea din funcţie a anumitor gene pe care le recunoaşte
specific. Viziunea genomului în care informaţia şi programul genetic sunt
centrate pe proteine pare greşită; majoritatea informaţiei genetice este încorporată
în ARN necodant şi dogma centrală a geneticii „pare imperfectă“. A sosit,
probabil, timpul să vedem genomul uman mai mult ca o „maşină de ARN“ decât ca o
„maşină de proteine“. În plus, cercetări recente au evidenţiat variaţii
importante între ARNnc la persoane diferite, sugerând ipoteza că deşi avem acelaşi set de gene, reglarea lor
se poate face diferit de la un individ la altul.
Numeroase
studii realizate în ultimii ani au demonstrat implicarea moleculelor mici de
ARN necodant în cancer, boli neurodegenerative sau boli produse prin dereglarea
mecanismelor imune. Expresia anormală a
ARN necodant va produce boală prin dereglarea funcţiei genelor (normale!)
pe care le reglează. Aceste dereglări ar putea fi reversibile şi corectate
folosind molecule sintetice de ARNsi, special proiectate; astfel de opţiuni
terapeutice sunt testate în prezent prin studii/trialuri clinice avansate.
Genomica
funcţională nu se limitează însă la studiul funcţiilor ADN genomic, gene ce
codifică proteine sau gene ARN, precum şi ADN non-genic; ea studiază rolul
diferitelor elemente structurale ale genomului la nivel de transcriptom şi
proteom. Transcriptomul reprezintă
setul de transcripte, molecule de ARN codante sau necodante, produse într-o
celulă / ţesut / organ într-un anumit moment al vieţii; el reflectă genele care
sunt exprimate în acel moment şi, de obicei, este variabil. Transcriptomica studiază, cu diferite
metode (microreţele de expresie a ADN; secvenţierea ARN etc.), profilul expresiei genice într-o anumită
populaţie celulară. Aplicaţiile ştiinţifice şi medicale sunt tot mai numeroase.
Astfel, studiul transcriptomului în celulele stem va permite înţelegerea
proceselor de diferenţiere celulară, iar analiza transcriptomului diferitelor
tipuri de tumori va elucida procesul complex de carcinogeneză şi va duce la
identificarea unor noi ţinte terapeutice. Transcriptomul este precursorul proteomului (ansamblul de proteine
structurale şi funcţionale produse într-o celulă, ţesut, organ). Proteomica studiază funcţia acestor
structuri pe baza expresiei globale a proteinelor pe care le sintetizează într-un
anumit moment (folosind electroforeza bidimensională, cromatografia, spectrofotometria
de masă). Proteomica este mai complicată decât genomica deoarece, spre
deosebire de genom, care este relativ „constant“, proteomul este dinamic,
variază spaţial şi temporal, precum şi în anumite condiţii de mediu. Proteomica
va permite cu certitudine înţelegerea mai profundă a modului cum funcţionează
organismul uman, iar aplicaţiile medicale pot fi numeroase. Să ne reamintim de
utilizarea unor biomarkeri proteici în diagnosticul bolilor sau „proiectarea”
unor medicamente. Prin identificarea proteinelor asociate cu o boală, folosind
softuri speciale, se poate stabili computerizat structura 3D a acestor
proteine, identificând situsurile active; pe această bază se pot concepe noi
medicamente care inactivează proteinele implicate în boală.
Între
proteinele care formează proteomul sau între proteom şi alte molecule (de
exemplu, ADN) se produc interacţiuni complexe. Astfel, mai multe proteine
diferite formează complexe proteice („maşini moleculare“) ce îndeplinesc o
anumită funcţie (spre exemplu, replicarea ADN). Alte proteine interacţionează
formând reţele funcţionale. De pildă, semnalele extracelulare sunt transmise în
interiorul celulei prin interacţiunea unor proteine de semnalizare, care joacă
un rol important în diferite procese fiziologice şi patologice. Reţeaua interacţiunilor
proteine–proteine formează interactomul,
iar studiul ei se numeşte interactomică.
Sub
acţiunea proteinelor/enzimelor din celule, ţesuturi, organe rezultă un ansamblu
caracteristic de produse intermediare sau metaboliţi numit metabolom. Studiul tuturor metaboliţilor ce iau parte la un proces
biologic se numeşte metabolomică. În
final, vom preciza că studiul tuturor fenotipurilor exprimate de o celulă, ţesut,
organ, organism („fenom“) se numeşte fenomică
şi că lumea „-omică“ este mai mare (epigenomică, farmacogenomică etc.); dar
despre aceste probleme vom discuta în alte articole.
Lumea
„-omică“ este organizată ierarhic, pe baza relaţiilor dintre diferite
componente: genomică → transcriptomică → proteomică → interactomică →
metabolomică → fenomică. Ele formează reţele
funcţionale şi reglatorii la toate nivelurile de organizare: molecule, celule, ţesuturi,
organe, organism. Din această perspectivă (numită biologia sistemelor sau reţelelor), dezvoltarea şi fiziologia
organismului sunt văzute ca procese (interacţiuni) dinamice ale unor reţele de
componente complexe care operează diferit în spaţiu şi timp, precum şi de la o
persoană la alta, fiind unice. Boala este
considerată o perturbare a unui sistem (reţea) normal(ă) şi nu o disfuncţie
a unui/unor module componente. Înţelegerea, depistarea/diagnosticul şi
tratamentul bolilor se vor axa pe identificarea şi manipularea reţelelor
perturbate global şi nu a componentelor afectate. Paradigma „medicinii sistemice sau a reţelelor“
este „să gândim global, dar să acţionăm local“, folosind o combinaţie optimă ce
va ţinti nodurile acestor reţele; probabil că aceasta va fi soluţia eficace în
terapia anticanceroasă.
Astăzi,
tehnologiile „-omice“ sunt
instrumente izolate, care au produs încă relativ puţine informaţii. Foarte
probabil, în viitor, aceste tehnologii se vor aplica împreună (aşa cum telefoanele inteligente încorporează informaţiile
oferite de telefon, cameră, mp3
player, TV şi GPS) pentru a înţelege aprofundat factorii de risc, manifestările
bolii, precum şi tratamentul ei pe baza profilurilor
individuale genomic–transcriptomic–proteomic–metabolomic–fenomic. În plus,
alcătuirea şi disfuncţiile reţelelor vor fi diferite la persoane diferite;
astfel, medicina sistemică integrativă
facilitează tranziţia la medicina personalizată.