Pentru a înţelege corect semnificaţia noţiunii
de genom este necesară rememorarea câtorva
elemente fundamentale ale geneticii umane. Ipoteza existenţei genelor („factori
ereditari“), formulată de Gregor Mendel (1865), a fost confirmată la începutul
secolului XX, când Thomas Hunt Morgan şi alţi geneticieni au stabilit că genele sunt segmente din cromozomi cu
rol în determinarea unui anumit caracter fenotipic. Ulterior, s-a demonstrat
experimental că genele sunt alcătuite din
ADN şi că deţin informaţia ereditară,
care determină sinteza unor molecule funcţionale de ARN şi/sau proteine,
utilizate pentru realizarea caracterelor morfologice şi funcţionale ale
organismului. În 1953, James Watson şi Francis Crick au propus cunoscutul model
al moleculei de ADN, alcătuită din două catene polinucleotidice înfăşurate într-o
dublă spirală. Fiecare catenă este formată prin polimerizarea a patru tipuri de
dezoxiribonucleotide, ce conţin baze azotate purinice – adenina (A) şi guanina
(G) – şi pirimidinice: timina (T) şi citozina (C). Cele două catene sunt legate
prin bazele azotate, în mod complementar: o bază purinică cu o bază pirimidinică
şi întotdeauna A–T şi G–C. Gena încetează să mai fie o entitate „misterioasă“,
iar ADN devine nu numai esenţa geneticii („Sfântul Graal“), ci şi un veritabil
„simbol al vieţii“.
Informaţia
ereditară conţinută în genele din ADN este reprezentată de secvenţa sau succesiunea nucleotidelor.
Această informaţie este codificată şi, în codul
genetic, un grup de trei nucleotide adiacente (triplet sau codon) semnifică
un anumit aminoacid din structura proteinei (de exemplu, CGA arginina). Procesul de sinteză proteică
presupune o primă etapă de transcripţie
în care informaţia din ADN este copiată („în acelaşi limbaj“ al acizilor
nucleici) în ARN mesager (ARNm) şi apoi secvenţa de codoni a ARNm este
decodificată (translaţie) într-o
secvenţă de aminoacizi, specifică unui polipeptid.
În genetica moleculară, prin genom se înţelege astăzi ansamblul informaţiei ereditare din
moleculele de ADN ale unei celule/organism, situată în marea ei majoritate
(99,5%) în cromozomii1 din nucleu, dar şi în
mitocondrii (0,5%); există deci un genom
nuclear, mare şi complex, şi un genom
mitocondrial, mic şi simplu (secvenţiat în 1981). Uzual, termenul de genom uman se foloseşte cu precădere
pentru ADN cromozomial din nucleu, deosebindu-se un genom diploid (caracteristic celor 46 de cromozomi din nucleul
celulelor somatice) şi un genom haploid
(corespunzător celor 23 de cromozomi din gameţi).
Cunoştinţele despre genomul uman au depins
de-a lungul timpului de metodele disponibile într-o anumită perioadă.
Descoperirea tehnologiei ADN recombinant
(prezentată într-un articol anterior) – bazată pe secţionarea ADN cu enzime de
restricţie, amplificarea (prin clonare celulară sau acelulară – PCR), secvenţierea
şi hibridizarea ADN – a marcat începutul unei perioade revoluţionare în genetică
şi medicină.
În 1980, a apărut ideea secvenţierii întregului
genom uman, care treptat a început să
prindă contur, sub forma Proiectului
Genomul Uman (PGU), probabil cel mai amplu şi mai scump proiect de
cercetare biomedicală internaţională. Lansat
în 1990, pentru o durată de 15 ani, PGU a avut ca obiective principale
determinarea secvenţei nucleotidice complete a ADN nuclear (dintr-un set
haploid de 22 autozomi, plus X şi Y – numit şi „genom de referinţă“) şi identificarea, localizarea şi analiza funcţiei
genelor ce alcătuiesc genomul uman. În esenţă, se spera că prin cunoaşterea
aprofundată a „anatomiei şi fiziologiei“ genomului uman (denumit metaforic „cartea vieţii“) se vor putea afla multe
date importante pentru biologie, în general, şi pentru medicină, în special.
Realizarea proiectului s-a confruntat cu două mari probleme: • probleme
tehnice şi logistice ale procesului de secvenţiere, ţinând cont de mărimea
genomului uman (3,2 miliarde de nucleotide), heterogenitatea structurii sale
(secvenţele repetitive sunt foarte abundente), complexitatea şi diversitatea
elementelor structurale • probleme biologice foarte dificile deoarece sub
aparenta simplitate a unor structuri unidimensionale se ascunde un conţinut
informaţional foarte complex, care trebuia descifrat.
Determinarea secvenţei genomului umansau stabilirea ordinii „liniare“ a nucleotidelor din ADN a implicat trei etape majore: • secvenţierea unor fragmente mici (circa
800 de nucleotide) de ADN (obţinute prin secţionare aleatorie a ADN
cromozomial), comparabilă cu „fabricarea
elementelor unui puzzle“ • asamblarea
genomului – cu ajutorul unor programe computerizate care ordonează,
orientează şi asamblează secvenţele segmentelor mici în secvenţe continue din ce în ce mai mari, pentru a crea
reprezentarea originală a cromozomului din care derivă; asamblarea genomului
este comparabilă cu „reconstituirea unui
puzzle“• adnotarea genomului –
efectuată în doi timpi: (1) identificarea şi localizarea elementelor
structurale ale genomului (gene2 cu regiuni
codante, necodante şi reglatoare; regiuni intergenice etc.) sau adnotarea structurală; (2) ataşarea
informaţiei biologice (funcţie şi expresie) la aceste elemente sau adnotarea funcţională; adnotarea
genomului este comparabilă cu „descifrarea
unui text neinteligibil“.
O primă „schiţă de lucru“ a genomului uman, încheiată
în iunie 2000, a fost publicată la 15 februarie 2001. Era, firesc, incompletă şi
imperfectă dar pentru prima oară era posibilă o perspectivă clară asupra
structurii genomului uman. Versiunea iniţială a fost ulterior îmbunătăţită, iar
la 14 aprilie 2003 (sărbătorind 50 de ani de la descoperirea structurii ADN),
cu doi ani mai devreme decât era planificat, a fost anunţată prima „versiune finisată“ (precizie de 99,9%),
aproape completă a genomului uman, „inaugurându-se
oficial era genomicii“; ea a fost publicată în 2004 şi este accesibilă
gratuit pe internet. Versiunea finisată cuprindea secvenţa foarte precisă a
circa 93% din genomul uman (2,85 miliarde de nucleotide dintr-un total estimat
la 3,2 miliarde), ce corespunde la 99% din eucromatină, partea „activă“ a
genomului (au rămas nesecvenţiate cca 1% din eucromatină şi cca 6% din
regiunile de heterocromatină, partea „inactivă“, care foarte probabil nu conţine
gene). Finalizarea PGU a reprezentat o etapă fundamentală în progresul
medicinii şi înţelegerea biologiei şi evoluţiei umane, care inaugurează era medicinii genomice.
După publicarea (2004) versiunii finisate a
genomului uman, a urmat resecvenţierea cu noi tehnici a fiecărui cromozom iar în
2007 secvenţierea întregului genom uman a fost declarată „încheiată“, deşi,
evident, vor continua alte finisări. Ne găsim acum în etapa de adnotare
structurală şi, mai ales, funcţională a genomului uman sau faza de „exploatare“
– un proces complex, dificil şi de lungă durată, deoarece presupune
„decriptarea“ secvenţei liniare a genomului uman, necesară pentru a da „un
sens“ şi a interpreta semnificaţia diferitelor categorii de secvenţe
(„elemente“) genomice.
Ca şi alte proiecte celebre („un om în spaţiu“
sau „oameni pe Lună“), care au reprezentat o extraordinară victorie a
spiritului de cunoaştere şi a inteligenţei umane, generând numeroase
descoperiri ştiinţifice care au marcat definitiv umanitatea, PGU a produs „o
explozie“ de tehnici performante şi începutul unor mari descoperiri medicale. În
ultimii zece ani s-au implementat: hibridizarea simultană (paralelă) multiplă
cu mii de sonde oligonucleotidice diferite imobilizate pe microreţele (cip
ADN), tehnicile de secvenţiere a ADN de generaţia doua şi a treia, analiza
expresiei genelor, inclusiv prin tehnici de „manipulare
genetică“ (inactivarea selectivă a unor gene). Randamentul crescut şi
costurile mai mici ale noilor metode de analiză genomică au permis studiul genomurilor personale (diploide) la
persoane sănătoase sau bolnave (mai ales în diferite tipuri de cancere) şi
lansarea unor noi proiecte de studiu al funcţiei şi variaţiilor genomului uman.
Viitorul
genomicii umane a fost definit de Francis Collins şi colab.3 pe trei domenii interdependente, fundamentate
pe baza descoperirilor PGU (vezi figura):
• genomică şi biologie –
identificarea tuturor componentelor structurale şi funcţionale, reconstituirea
reţelelor genice şi proteice şi elucidarea rolului lor în determinismul
fenotipurilor, catalogarea variaţiilor ereditare ale genomnului („variom“), identificarea mecanismelor
moleculare ale evoluţiei, prin compararea genomurilor diferitelor specii • genomică şi sănătate – identificarea factorilor genomici ce
determină boli, precum şi susceptibilitatea/ rezistenţa la boli („teste
predictive“) sau sensibilitatea şi răspunsul individual la medicamente
(„terapie personalizată“); depistarea precoce a bolilor prin teste genomice
(aplicate inclusiv prenatal); dezvoltarea unor noi medicamente • genomică şi societate – precizarea opţiunilor politice şi etice
privind accesul şi folosirea genomicii în context medical şi nemedical
(prevenirea discriminării genetice).
Deşi unele detalii se vor schimba, există
multe puncte clare privind structura şi organizarea genomului uman. De aceea, în
prezentarea viitoare a marilor „surprize“ generate de PGU, vom ţine cont în
special de elementele certe, care se constituie deja în progrese decisive ale
cunoaşterii biomedicale.
