Η Karen Miga συμπληρώνει τα κομμάτια του γονιδιώματος μας που λείπουν

Το 1990, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων ξεκίνησε μια φιλόδοξη προσπάθεια αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος. Μέχρι το 2001, το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος (HGP) είχε ετοιμάσει ένα πρόχειρο προσχέδιο και τον Απρίλιο του 2003, η ακολουθία σχεδίων κηρύχθηκε ολοκληρωμένη. Αλλά η Κάρεν Μίγκα, γενετιστής τώρα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ και αναπληρώτρια διευθύντρια του Ινστιτούτου Γονιδιωματικής UCSC, γνώριζε ότι, ενώ η εργασία μπορεί να είχε ολοκληρωθεί, η αλληλουχία δεν είχε ολοκληρωθεί.

Το HGP μπόρεσε να αλληλουχήσει το 90% του ανθρώπινου DNA που οι γενετιστές αποκαλούν ευχρωματίνη, το οποίο είναι χαλαρά διπλωμένο και περιέχει σχεδόν όλα τα γονίδια που παράγουν ενεργά πρωτεΐνες. Αλλά η Miga ειδικεύτηκε στην ετεροχρωματίνη, τα σφιχτά συσκευασμένα τμήματα του DNA με εξαιρετικά επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες κοντά στα άκρα (τελομερή) και στα κέντρα (κεντρομερή) των χρωμοσωμάτων. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να προσδιορίσουν την αλληλουχία της ετεροχρωματίνης, επομένως, παρά τις εορταστικές φρυγανιές και τις σαμπάνιες, σχεδόν το 10% του γονιδιώματος έμεινε χωρίς αλληλουχία.

Έμεινε έτσι για σχεδόν 20 χρόνια. Το πρόβλημα ενοχλούσε τη Miga, εν μέρει επειδή δεν πίστευε ότι οι περιοχές ήταν τόσο ασήμαντες όσο νόμιζαν ορισμένοι γενετιστές. (Χωρίς ακολουθία, πώς θα μπορούσατε να καταλάβετε;) Με τα χρόνια, η Miga συνέχισε να πιέζει το πεδίο της γονιδιωματικής για να ολοκληρώσει το έργο που είχαν ξεκινήσει τόσα χρόνια πριν. Καθώς οι τεχνολογίες αλληλουχίας DNA επέτρεπαν στους ερευνητές να διαβάζουν όλο και μεγαλύτερες εκτάσεις του γονιδιώματος με μια κίνηση, η Miga μπορούσε να δει ότι οι επιστήμονες πλησίαζαν περισσότερο την πιθανότητα να ανοίξουν το πρόβλημα.

Μαζί με τον Adam Phillippy, έναν υπολογιστικό βιολόγο στο Εθνικό Ινστιτούτο Έρευνας του Ανθρώπινου Γονιδιώματος, η Miga ξεκίνησε την κοινοπραξία Telomere-to-Telomere (T2T) το 2018 για να αλληλουχήσει τελικά κάθε τελευταίο νουκλεοτίδιο ανθρώπινου DNA. Στη συνέχεια, τη στιγμή που η ομάδα έβρισκε τα πατήματά της, χτύπησε η πανδημία.

Αλλά ο COVID-19 δεν εμπόδισε την πρόοδό τους. Τον Ιούνιο, οι Miga, Phillippy και οι συνεργάτες τους δημοσίευσαν την πρώτη πλήρη αλληλουχία γονιδιώματος στον preprint server biorxiv.org. Τρεις δεκαετίες μετά την έναρξή του, το ανθρώπινο γονιδίωμα ολοκληρώθηκε τελικά.

Quanta κάθισε με τη Miga σε μια συνομιλία μέσω βίντεο για να συζητήσει τα χρόνια της δουλειάς της και τι μπορεί να σημαίνει το επίτευγμα της κοινοπραξίας για την επιστήμη. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Πώς άρχισες να ενδιαφέρεσαι για τη γονιδιωματική;

Εισήχθηκα για πρώτη φορά στην ανθρώπινη γονιδιωματική και επαναλαμβανόμενη βιολογία στο Case Western Reserve, όταν ήμουν φοιτητής μεταπτυχιακού στο εργαστήριο του Evan Eichler. Τότε ήταν που ανακοινώθηκε η «ολοκλήρωση» του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος και επειδή ήταν ηγέτης σε αυτόν τον τομέα και επένδυσε πολύ στην κατανόηση περίπλοκων περιοχών, γνώριζα καλά από την αρχή ότι το γονιδίωμα ήταν ατελές. Στη συνέχεια ολοκλήρωσα τη διδακτορική μου εργασία με τον Huntington Willard, ηγέτη στη γονιδιωματική των κεντρομερών και τη βιολογία των χρωμοσωμάτων, στο Πανεπιστήμιο Duke. Υπό την καθοδήγηση του Hunt βρήκα την αγάπη μου για το DNA του δορυφόρου (επαναλήψεις ακολουθιών που βρίσκονται σε σειρά, ή μια διάταξη κεφαλής με ουρά, συχνά για εκατομμύρια βάσεις) και δεν έχω γυρίσει πίσω.

Τι είναι το DNA του δορυφόρου και τι σχέση έχει με το γιατί το ανθρώπινο γονιδίωμα παρέμεινε ημιτελές;

Οι σύντομες διαδοχικές επαναλήψεις είναι κοινές σε όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα και έχουν μελετηθεί καλά. Τα δορυφορικά DNA με τα οποία μου άρεσε περισσότερο ήταν αρκετά διαφορετικά τόσο σε κλίμακα όσο και σε λειτουργία στη βιολογία του γονιδιώματος. Όσον αφορά την κλίμακα, αντί να διασπείρονται σε περιοχές πλούσιες σε γονίδια, αυτά τα DNA δορυφόρων αποτελούν εξαιρετικά μεγάλες, φτωχές σε γονίδια περιοχές (συχνά δεκάδες εκατομμύρια βάσεις) σε κάθε ανθρώπινο χρωμόσωμα. Γνωρίζουμε ότι αυτές οι περιοχές εμπλουτισμένες σε δορυφορικά DNA είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό των φυτικών και ζωικών γονιδιωμάτων. Επιπλέον, γνωρίζουμε ότι είναι εξαιρετικά σημαντικά για τη βιωσιμότητα των κυττάρων. Σημαδεύουν θέσεις σχηματισμού κεντρομερών - μέρη του γονιδιώματός μας που διασφαλίζουν ότι τα χρωμοσώματά μας διαχωρίζονται σωστά κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης. Αυτά τα απίστευτα παράξενα γονιδιωματικά τοπία έλειπαν από τις προηγούμενες συναρμολογήσεις του ανθρώπινου γονιδιώματος. Και φυσικά, έλειπαν επίσης από τις μελέτες που χρησιμοποίησαν αυτές τις συναρμολογήσεις για να κάνουν νέες γενετικές ανακαλύψεις και συσχετίσεις με ανθρώπινες ασθένειες.

Ποια μέρη του ανθρώπινου γονιδιώματος παρέμειναν χωρίς αλληλουχία σε εκείνο το σημείο;

Τα μεγαλύτερα κενά που παρέμειναν στο ανθρώπινο γονιδίωμα ήταν όλα επαναλαμβανόμενα DNA. Στην περίπτωση των δορυφορικών DNA, οι διαδοχικές επαναλήψεις οργανώνονται σε μια γραμμική διάταξη σχεδόν ακριβών αντιγράφων. Μπορεί να έχετε μια ενιαία αλλαγή νουκλεοτιδίου που θα μπορούσε να διακρίνει ένα αντίγραφο από το άλλο και αυτές οι διαφορές μπορεί να απέχουν μεταξύ τους κατά δεκάδες χιλιάδες βάσεις. Αν μπορούσατε να αλληλουχήσετε μόνο 150 βάσεις τη φορά, δεν θα είχατε ποτέ αρκετές πληροφορίες σε αυτό το τμήμα των γραμμάτων για να πείτε από πού στο γονιδίωμα προέρχεται αυτό το τμήμα. Στο παρελθόν, όταν χρησιμοποιούσαμε μικρά θραύσματα όπως αυτό, δεν μπορούσαμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να επιλύσουμε πλήρως αυτές τις περιοχές που είναι εξαιρετικά πλούσιες σε επαναλήψεις. Μόνο τώρα που μπορούμε να δούμε τις ακολουθίες "μακράς ανάγνωσης" μπορούμε να αρχίσουμε να κάνουμε ακριβείς χάρτες.

Λοιπόν, για να ολοκληρώσουμε την αλληλουχία, ήταν μόνο θέμα τεχνολογικής βελτίωσης;

Η ομάδα μας επωφελήθηκε απολύτως από τη διαθεσιμότητα της μακροχρόνιας αλληλουχίας. Ωστόσο, ένα άλλο σημαντικό στοιχείο εδώ είναι η τεχνολογική πρόοδος στην ανάπτυξη των σωστών αλγορίθμων που χρησιμοποιούν αυτές τις μεγάλες αναγνώσεις για να κάνουν τις καλύτερες γραμμικές προβλέψεις. Επιπλέον, η κοινότητα T2T μας ηγείται της ανάπτυξης νέων αναλύσεων για την αξιολόγηση της ποιότητας αυτών των προβλέψεων για να διασφαλιστεί ότι είναι ακριβείς.

Καταλαβαίνω την επιθυμία να ολοκληρώσω την πλήρη αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος μόνο και μόνο για να το κάνω. Αλλά τι μας έλειπε αφήνοντας αυτά τα γονιδιωματικά τμήματα χωρίς αλληλουχία;

Είναι χρήσιμο να έχουμε μια πληρέστερη αξιολόγηση του συνολικού αριθμού γονιδίων σε ένα ανθρώπινο γονιδίωμα. Η προεκτύπωσή μας προσδιορίζει εκατοντάδες γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και περισσότερες από χίλιες προβλέψεις γονιδίων. Αυτό είναι μια σημαντική προσθήκη στο ανθρώπινο γονιδίωμα και παρέχει σαφή αξία στο έργο.

Εκτός από τα γονίδια, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι απελευθερώνουμε αλληλουχίες για ολόκληρους βραχείς βραχίονες των χρωμοσωμάτων μας. Για παράδειγμα, η ύπαρξη τριών αντιγράφων του χρωμοσώματος 21 (τρισωμία 21) έχει σαφές κλινικό ενδιαφέρον, επειδή αυτό οδηγεί στο σύνδρομο Down. Δημοσιεύσαμε τον πρώτο χάρτη του μικρού βραχίονα του χρωμοσώματος 21, ο οποίος προσθέτει πληροφορίες σχετικά με τη γονιδιωματική οργάνωση αυτού του χρωμοσώματος που θα μπορούσε να διευρύνει τις λειτουργικές και κλινικές μελέτες. Επιπλέον, έχουμε τώρα μια σαφή εικόνα των λειτουργικά σημαντικών περιοχών, όπως τα κεντρομερή, και αυτό θα μπορούσε να μας βοηθήσει να ξεκινήσουμε νέες μελέτες για να κατανοήσουμε καλύτερα την οργάνωση και τη δομή του γονιδιώματος τους.

Όταν το προσχέδιο του γονιδιώματος δημοσιεύτηκε το 2001, πόσο τελικά είχε ολοκληρωθεί;

Η πρώτη κιόλας πρόχειρη ακολουθία ήταν ένας απίστευτος πόρος, αλλά σκοπίμως αγνόησε τις πιο περίπλοκες, πυκνά επαναλαμβανόμενες περιοχές του γονιδιώματός μας. Οι μεταγενέστερες προσπάθειες για να φτάσουμε σε μια πιο ολοκληρωμένη κατάσταση έλειπαν ακόμη περίπου το 8-10% και συνεχίσαμε να χτυπάμε έναν τεχνολογικό τοίχο για να φτάσουμε στην ολοκλήρωση. Εν μέρει αυτό οφειλόταν σε προκλήσεις στην αλληλουχία των επαναλήψεων, αλλά είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι ακόμα κι αν η σειρά ήταν τέλεια, θα εξακολουθούσαμε να αντιμετωπίζουμε το εμπόδιο της σωστής συναρμολόγησης αυτών των κομματιών.

Αισθάνομαι σαν να είμαι ένας από μια μικρή ομάδα επιστημόνων που στέκονται στα σαπουνοκιβώτιά μας για πολλά χρόνια, λέγοντας:"Γεια, οι τρέχοντες χάρτες μας είναι ατελείς και η ολοκλήρωση των χαρτών μας θα είναι σημαντική για την κατανόηση της βιολογίας του γονιδιώματος". Υποψιάζομαι ότι πολλοί θα εκπλαγούν όταν το μάθουν αυτό, λόγω του πολύ δημόσιου εορτασμού του «τελειωμένου» ανθρώπινου γονιδιώματος το 2003. Γιορτάζαμε την ολοκλήρωση των τμημάτων του γονιδιώματός μας που ήταν τεχνολογικά εφικτά εκείνη την εποχή. Δεν ήταν πραγματικά σαφές στο κοινό πόσο μεγάλο μέρος του γονιδιώματός μας έμεινε ανεπίλυτο και ανεξερεύνητο.

Βοηθήσατε να ηγηθεί η κοινοπραξία T2T για να χαρτογραφήσει αυτά τα μεγάλα, επαναλαμβανόμενα μέρη του ανθρώπινου γονιδιώματος. Πώς ξεκίνησε η κοινοπραξία T2T;

Ο Adam Phillippy στο Εθνικό Ινστιτούτο Ερευνών για το Ανθρώπινο Γονιδίωμα (NHGRI) και εγώ ενδιαφερόμασταν και οι δύο να ολοκληρώσουμε ένα ανθρώπινο γονιδίωμα και ξεκινήσαμε να εργαζόμαστε μαζί το 2018. Αρχικά, ξεκινήσαμε με στόχο να απελευθερώσουμε έναν πλήρη άνθρωπο «τελομερές σε τελομερές». χρωμόσωμα. Η δημόσια ανακοίνωση της κοινοπραξίας T2T έγινε το 2019 σε μια συνάντηση για την πρόοδο στη βιολογία και την τεχνολογία του γονιδιώματος, όταν ο Adam παρουσίασε την εργασία μας για την ολοκλήρωση του χρωμοσώματος Χ και ανακοίνωσε την έναρξη της πρωτοβουλίας μας για την ολοκλήρωση ενός ανθρώπινου γονιδιώματος.

Μετά την προσπάθειά μας να ολοκληρώσουμε ένα μόνο χρωμόσωμα, συνεχίσαμε να μελετάμε πώς να βελτιώσουμε τις συναρμολογήσεις χρωμοσωμάτων χρησιμοποιώντας συνδυασμούς δεδομένων υψηλής ακρίβειας και εξαιρετικά μακρών αναγνώσεων. Αρχίσαμε να προσεγγίζουμε πιο αυτοματοποιημένες μεθόδους για να ολοκληρώσουμε τις δορυφορικές συστοιχίες. Μέσα από όλα αυτά, η κοινοπραξία μεγάλωνε και μεταμορφωνόταν σε μια ευρύτερη προσπάθεια βάσης με ένα τεράστιο καστ ταλαντούχων επιστημόνων.

Το καλοκαίρι του 2020, δημιουργήσαμε ένα εστιασμένο εργαστήριο για να προσπαθήσουμε να ολοκληρώσουμε όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα. Αυτό ήταν το κλειδί για την οργάνωση της εικονικής μας ομάδας σε ξεχωριστές ομάδες εργασίας, καθεμία με ειδική τεχνογνωσία στη συναρμολόγηση, την επιμέλεια, την κλήση παραλλαγών και τη βιολογία επανάληψης. Αυτή η εικονική κοινότητα συνεργάστηκε — ιδίως σε μια παγκόσμια πανδημία — για να προσφέρει μια αρχική απελευθέρωση ενός πλήρους ανθρώπινου γονιδιώματος, μαζί με έναν μεγάλο αριθμό εις βάθος βιολογικών αναλύσεων από αυτές τις πρόσφατα συγκεντρωμένες περιοχές.

Ποιες ήταν μερικές από τις προκλήσεις που αντιμετωπίσατε στην πορεία;

Είχαμε αρκετές προκλήσεις. Ένα αξιοσημείωτο ήταν μια μακρά σειρά δορυφορικού DNA δίπλα στο κεντρομερίδιο στο χρωμόσωμα 9, το οποίο είχε μεγάλο διπλασιασμό που χρειάστηκε πραγματική προσπάθεια για να επιλυθεί. Ο Adam Phillippy και η ομάδα του στο NHGRI αξίζουν ιδιαίτερα εύσημα για την εστιασμένη εργασία τους να επιλύσουν τις αλληλουχίες των συστοιχιών ριβοσωμικού DNA σε καθένα από τα πέντε ακροκεντρικά χρωμοσώματα, όπου το κεντρομερίδιο είναι πολύ πιο κοντά στο ένα άκρο παρά στο κέντρο.

Πώς νιώσατε όταν επιτέλους είχατε ολόκληρη τη συναρμολόγηση του γονιδιώματος;

Είναι ένα όνειρο. Αυτό είναι πραγματικά σαν να ξυπνάς με ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα. Πάντα φανταζόμουν να έχω αυτούς τους τύπους χαρτών όταν ήμουν μεταπτυχιακός φοιτητής, και πάντα πίστευα ότι θα έφταναν κάποια μέρα. Είμαι πολύ ευγνώμων που συμμετέχω στη διαδικασία έκδοσης και κοινοποίησης αυτών των πληροφοριών.

Τι σημαίνει ότι έχει ολοκληρωθεί τελικά η αλληλούχιση του ανθρώπινου γονιδιώματος;

Όταν δημοσιευτεί το πρώτο πλήρες ανθρώπινο γονιδίωμα, θα είναι μια στιγμή ορόσημο. Θα είναι ένα τεράστιο τεχνολογικό επίτευγμα δεδομένου ότι θα είναι η πρώτη φορά που θα έχουμε επιδείξει αυτό το νέο πρότυπο ολοκλήρωσης και ποιότητας γονιδιώματος. Θα είναι επίσης μια τεράστια νίκη για τις ευρύτερες βασικές και μεταφραστικές ερευνητικές κοινότητες, καθώς θα έχουμε εκατοντάδες εκατομμύρια νέες, ανεξερεύνητες βάσεις σε ένα ανθρώπινο γονιδίωμα για να επεκτείνουμε τις μελέτες συσχέτισης ασθενειών και κυτταρικής λειτουργίας. Η επόμενη πρόκληση είναι να το κάνουμε αυτό εντελώς ρουτίνα και να επεκτείνουμε τη μελέτη μας σε εκατοντάδες αν όχι χιλιάδες άτομα.

Για να φτάσει σε αυτό το επόμενο βήμα, η Κοινοπραξία T2T συνεργάστηκε επίσημα με την Κοινοπραξία Αναφοράς Ανθρώπινου Πανγονιδιώματος το 2020, με κοινό στόχο να επιτύχει ολοκληρωμένες, ολοκληρωμένες συναρμολογήσεις εκατοντάδων διαφορετικών ανθρώπινων γονιδιωμάτων. Ελπίζω ότι η τεχνολογία προσδιορισμού αλληλουχίας και η διαδικασία συναρμολόγησης θα μπορούσαν να βελτιωθούν στο μέλλον για να διασφαλιστεί ότι η επίτευξη ενός γονιδιώματος T2T θα γίνει τυπική διαδικασία λειτουργίας.

Ποια είναι μερικά από τα βασικά επιστημονικά ερωτήματα που θα επιτρέψει στους επιστήμονες να εξερευνήσουν η πλήρης ακολουθία του ανθρώπινου γονιδιώματος;

Οι αλληλουχίες σε αυτές τις περιοχές έχουν τα δικά τους εξειδικευμένα μοντέλα και ρυθμούς εξέλιξης και προσφέρουν νέες γενετικές πληροφορίες για να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη δομή και τη λειτουργία του γονιδιώματος. Ουσιαστικά ανοίξαμε την πόρτα για τη μελέτη πολλών οικογενειών γονιδίων, ολόκληρων ακροκεντρικών χρωμοσωμάτων και νέων μη κωδικοποιητικών περιοχών του ανθρώπινου γονιδιώματος με περισσότερες λεπτομέρειες. Το εργαστήριό μου ενδιαφέρεται πολύ να μελετήσει πώς τα δορυφορικά DNA ποικίλλουν μεταξύ διαφορετικών ατόμων και πώς αυτή η νέα πηγή παραλλαγής αλληλουχίας συμβάλλει στην κατανόησή μας για τη βιολογία του γονιδιώματος και τις ανθρώπινες ασθένειες.

Ωστόσο, με την πλήρη αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος, ανοίξατε επίσης την πόρτα για την κατανόηση άλλων σημαντικών μηχανισμών της γενετικής.

Τα κεντρομερή και άλλες περιοχές που είναι επαναλαμβανόμενες πλούσιες περιοχές εμφανίζονται στους χάρτες μας για πρώτη φορά. Αυτό προσφέρει ένα σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο γονιδιωματικό τοπίο για νέες ανακαλύψεις και μπορεί να επεκτείνει τις γενετικές μελέτες συσχέτισης ασθενειών. Η πρώιμη εργασία υποδηλώνει ότι αυτά τα μέρη του γονιδιώματος οργανώνονται, αναπαράγονται και ρυθμίζονται διαφορετικά από τις πιο οικείες πλούσιες σε γονίδια περιοχές που έχουμε μελετήσει εντατικά από την αρχική απελευθέρωση του ανθρώπινου γονιδιώματος αναφοράς.

Επομένως, δεν είναι ότι το προεκτυπωμένο γονιδίωμα T2T απλώς συμπληρώνει την προηγούμενη αναφορά ανθρώπινου γονιδιώματος με μερικές τελευταίες λεπτομέρειες. Είναι περισσότερο σαν να υπάρχει ένα ολόκληρο κομμάτι του γονιδιώματός μας που λειτουργεί με διαφορετικό τρόπο, μόλις έγινε διαθέσιμο σε εμάς, και μόλις αρχίσαμε να ξύνουμε την επιφάνεια αυτού. Τα επόμενα 10 χρόνια θα πρέπει να είναι πολύ συναρπαστικά και ανυπομονώ για τις μελλοντικές ανακαλύψεις σε αυτές τις περιοχές που αποκαλύφθηκαν πρόσφατα.