Az emberi genom Venetianer-nyomda.indd 1 Venetianer-nyomda.indd :42: :42:10

Átírás

1 Az emberi genom

2 1. Tudományos tanácsadók: Dudits Dénes Maróth Miklós Pók Attila Szász Domokos Török Ádám

3 Venetianer Pál Az emberi genom AKADÉMIAI KIADÓ

4 ISBN Kiadja az Akadémiai Kiadó, az 1795-ben alapított Magyar Könyvkiadók és Könyvterjesztők Egyesülésének tagja 1117 Budapest, Prielle Kornélia u Első magyar nyelvű kiadás: 2013 Venetianer Pál, 2013 Akadémiai Kiadó, 2013 Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítás, a nyilvános előadás, a rádió- és televízióadás, valamint a fordítás jogát, az egyes fejezeteket illetően is. Printed in Hungary

5 TARTALOM Mi a genom? (...és más alapfogalmak: gén, kromoszóma, DNS, kód) / 7 Az emberi genom megismerésének története / 23 Előzmények / 23 A Humán Genom Program (HGP) / 27 Mi történt a HGP befejezése óta? / 34 Az emberi genom szerkezete / 40 Tanulságok az általános biológia számára / 53 A gén és a génszabályozás fogalmainak átalakulása / 54 A gének száma és a genomok mérete / 58 Az RNS biológiai szerepe / 60 Az epigenom / 61 Evolúció / 65 Tanulságok az ember megismerésében / 70 Az emberi faj / 70 Az emberré válás és a történelem / 75 Tanulságok az orvostudomány számára / 84 Az örökletes betegségek / 85 A multigénes betegségek / 93 A rák / 99 Gyógyszerkutatás és -fejlesztés / 106 Utószó / 116 Fogalommagyarázatok / 117 Irodalom / 133

6

7 MI A GENOM? (...ÉS MÁS ALAPFOGALMAK: GÉN, KROMOSZÓMA, DNS, KÓD) mi a genom? A tudományos örökléstan, a genetika megszületése egyidős a huszadik századdal. Gregor Mendel brünni apátnak a maga korában 1 nem méltányolt, elfeledett zseniális kísérleti eredményeit 1900-ban fedezte fel újra egymástól függetlenül három botanikus, Correns, DeVries és Tschermak. A következő évtizedekben, elsősorban T. H. Morgan 2 és iskolája munkásságának eredményeként alakult ki a klasszikus örökléstan (mendeli morgani genetika ). Az új tudomány alapvető állítása az volt, hogy az egyes örökletes tulajdonságok meghatározói, a mintegy az átöröklés atomjainak tekinthető gén ek (amelyek természetéről, anyagáról akkor még semmit sem lehetett tudni) a minden sejt magjában megtalálható és sejtosztódáskor mikroszkóp alatt megfigyelhető fonalszerű szerkezetekben, a kromoszómákban egymás mellett gyöngysorszerűen helyezkednek el, és többé-kevésbé állandóak. A genetika tudománya ekkoriban elsősorban arra törekedett, hogy az egyes gének egymáshoz viszonyított elhelyezkedését (térképezés ), a következő generációkban történő együttes vagy külön-külön megjelenését, valamint hatásuk érvényesülését jellemezze. A genom fogalma 3 ekkor az adott élőlény génjeinek összességét jelentette. A gén természetének megismerésében jelentős lépés volt annak kimondása, hogy a gének azáltal képesek tulajdonságokat determinálni, hogy egyes enzim ek (azaz fehérjék, mert minden enzim: 1 Mendel alapvető műve 1866-ban jelent meg. 2 Morgan 1933-ban kapott Nobel-díjat. A Morgan-iskola többi nagyjai: Muller, Sturtevant és Bridges. 3 A fogalmat H. Winkler használta először 1920-ban. 7

8 Mi a genom? fehérje ) szerkezetét határozzák meg. 4 Emberre vonatkoztatva ezt a gondolatot már 1909-ben megfogalmazta A. Garrod, angol orvos, de ez a nézete akkor ugyanúgy nem vált az élő tudomány részévé, mint korábban Mendel munkássága. A genetika döntő fordulatát azonban az jelentette, amikor kiderült, hogy az átöröklés egyetlen jól ismert anyaghoz, a dezoxiribonukleinsav hoz (DNS ) köthető. 5 A következő nagy lépés 1953-ban történt, James Watson és Francis Crick ekkor tették közzé azt a korszakalkotó, alig kétoldalas dolgozatot a Nature -ben, amelyben leírják a DNS (dezoxiribonukleinsav ) térszerkezetét, azt a híres double helix szerkezetet, amely a magyar fordításban jobb híján a kettős spirál nevet kapta. Ez az elnevezés azért nem egészen pontos, mert a szerkezet kettős csigavonal, mint egy csigalépcső két párhuzamos korlátja, tehát nem spirál. (Zárójeles megjegyzés: gyakran hallható téves állítás, hogy Watson és Crick fedezték fel a DNS-t. Erről szó sincs, a DNS-t már 1871-ben elkülönítette és leírta Friedrich Miescher svájci katonaorvos. Watsonnak és Crick-nek csak a szerkezet megfejtését köszönhetjük, amelyért 1962-ben Nobel-díjat kaptak.) Természetesen egy kémiai anyag szerkezetének megállapítása önmagában bármilyen fontos anyagról van is szó még nem volna korszakalkotó felfedezés. Ezt azonban azzá tette az a gondos álszerénységgel fogalmazott mondat (Bill Clinton, volt amerikai elnök szerint az évszázad understatement -je), amellyel a cikk befejeződött: Természetesen nem kerülte el a figyelmünket az a tény, hogy az általunk javasolt szerkezet magyarázatot kínál az öröklési anyag pontos megkettőződésére. Ezért tekinthető ez a cikk egy új tudomány, a molekuláris 4 Ezért kapott 1958-ban George Beadle és Edward Tatum Nobel-díjat (Joshua Lederberggel együtt). 5 Ezt Avery, McLeod és McCarthy fedezték fel 1944-ben. 8

9 mi a genom? biológia megszületésének. A molekuláris biológia elnevezés ugyanis azt jelenti, hogy ez a tudományág a molekulák kémiai szerkezetének ismeretéből kiindulva próbálja megmagyarázni a biológiai jelenségeket. A cikknek ez a befejező mondata éppen erre a lehetőségre utal. A DNS -szerkezet legfontosabb vonása, hogy ez az óriásmolekula két egymással szemben elhelyezkedő láncból áll, egy csigalépcső két korlátjához hasonlóan. A két lánc lefutásának iránya egymással ellentétes, de alapszerkezetük azonos: négy egyszerű szerkezeti elem, négy különböző alapegység, úgynevezett nukleotid nagyszámú (láncszerű) egymáshoz kapcsolódásával épülnek fel. A nukleotidok három kisebb molekula kapcsolódásával alakulnak ki, közülük kettő (foszforsav és dezoxiribóz ) minden nukleotidban azonos, egyszóval a harmadik összetevő adja a négyféle nukleotid különbözőségét ezen összetevők kémiailag purin-, illetve pirimidinbázisok, s neveik kezdőbetűivel jelöljük a DNS-lánc egyes elemeit: A (= adenin ), C (= citozin ), G (= guanin ), T (= timin ). A négy elem egymásutánja látszólag teljesen szabálytalan, éppúgy, ahogy egy irodalmi szövegben a betűk sorrendje a nyelvet nem értő számára és ez a hasonlat pontosan kifejezi, hogy miről is van szó: a négy nukleotid ugyanis egy ábécé betűinek, a DNS -molekulán belül e nukleotidok egymásutánja pedig egy szövegnek vagy üzenetnek fogható fel. Ez a kémiai szerkezet tehát információt hordoz, a négy betűből álló ábécé segítségével fogalmazódik meg az egész földi élővilág hihetetlen sokféléségének valamennyi örökletes információja. 9

10 Mi a genom? 1. ábra. A DNS kettőshélix-szerkezete Balra a kémiai szerkezet egyszerűsített sémája, középen a kettős hélix térbeli elrendeződése, jobbra a az atomokat golyókkal modellező térbeli szerkezet. Ez a DNS a vírus okban és baktérium okban általában egyetlen kettős láncot képez, a magasabb rendű élőlények sejtjeiben azonban a kettős láncok több bonyolult szerkezetű képződményben, az úgynevezett kromoszómá kban foglalnak helyet, amelyek sejtosztódáskor jól láthatók közönséges mikroszkóppal is. 6 A kromoszómák száma az élővilágban igen nagy változatosságot mutat, az ember minden egyes sejtjében (természetesen az ivarsejtek kivételével) például 23 pár, azaz 46 kromoszóma van. Érdemes itt megjegyezni, hogy legközelebbi rokonunknak, a csimpánznak eggyel több kromoszómapárja van, mint az embernek. Feltehetően ez volt a helyzet közös ősünknél is, és valamikor a két leszármazási vonal elválása után két kromoszóma összeolvadt, és ezek alkotják a mai ember 2. számú kromoszómáját. Az egy 6 A kromoszómákat 1888-ban fedezte fel Waldeyer. 10

11 mi a genom? kromoszómában található DNS kémiai szempontból folyamatos, fonalas szerkezetű molekula, amely több tíz-, sőt százmillió nukleotidpár hosszúságú lehet. Biológiai szempontból azonban ez az információsor nem folyamatos, kisebb, önálló értelemmel és jelentőséggel bíró szakaszokra oszlik. Ezek az önálló szakaszok a gén ek, az átöröklés működési egységei. Mióta mindezt tudjuk, azóta megváltozott a genom fogalma. Ma ez a szó már nem a gének összességét, hanem a sejt teljes DNS-állományát jelenti (később látni fogjuk, hogy ez a megkülönböztetés igen lényeges, a hagyományos értelemben vett gének az összes DNS-nek csak egy kisebb részét alkotják). Ha folytatjuk a nukleotidokat betűkhöz hasonlító gondolatmenetünket, akkor azt mondhatjuk, hogy a sejt teljes DNS-állománya (azaz: a genom ) egy könyvtár, a kromoszómák e könyvtár egyes kötetei, a gének pedig a szöveg bizonyos mondatai. Ez a hasonlat az arányokat tekintve persze kissé sántít. Az ember több mint 3 milliárd nukleotidpárnyi DNSállománya ugyanis körülbelül 2000 vaskos kötetet kitevő könyvtárnak felelne meg, ha a nukleotidokat betűknek tekintenénk (holott csak 23 pár kromoszóma van). Az emberi gének száma körülbelül A működőképes gének összessége a sejt összes DNS-állományának csak kisebb részét teszi ki, a többi a hagyományos és mára meghaladottnak tekinthető felfogás szerint nem tekinthető génnek, azaz valószínűleg nem hordoz információt. Ennek a jelenségnek a pontosabb megértéséhez egy kissé mélyebbre kell hatolnunk. Biológiai szempontból a DNS -nek két alapvető szerepe, feladata van. Először is: raktározza, változatlanul megőrzi, és sejtosztódás, illetve a szaporodás során továbbadja az örökletes információt. Másodszor: az egyedi élet során működteti ezt a raktározott információt, vagyis utasításokat ad. 11

12 Mi a genom? Mindkét feladat szempontjából a DNS legfontosabb sajátsága az a bizonyos kettőshélix -szerkezet. Ennek ugyanis az a lényege, hogy a két párhuzamos DNSlánc egymást kiegészítő és meghatározó szerkezetű, az egyik lánc A, C, G és T sorrendű nukleotid jaival átellenben a másik láncban sorrendben csak T, G, C és A foglalhat helyet. Ennek az az oka, hogy az egyes nukleotidok különbözőségét adó úgynevezett bázisrészek a két lánc lefutási irányára nagyjából merőlegesen helyezkednek el. Ha a láncot a csigalépcső két korlátjához hasonlítottuk, akkor a bázisok úgy állnak, mint a lépcső fokai. A négy bázis mérete és kémiai kötőképessége kissé eltér egymástól, és ezek az eltérések a szigorúan párhuzamos két lánc között csak azt az elhelyezkedést teszik lehetővé a kettős lánc stabilitásának fenntartása mellett, hogy G-vel szemben C legyen és A-val szemben T. Bonyolult, de ma már jól ismert mechanizmusok biztosítják, hogy sejtosztódáskor, ha a két lánc elválik egymástól, mindkettő mellett a fenti szabályok betartásával épülhet fel ismét a kiegészítő lánc, így az eredeti szerkezet teljes egészében pontosan megkettőződik. Ez a mechanizmus felel az öröklődés konzervativizmusáért, azaz az örökletes információ változatlan továbbadásáért a következő nemzedéknek. Tudjuk azonban, hogy a valóságban az örökletes információ általában nem teljesen változatlanul kerül át az utódokba. Erősen leegyszerűsítve a dolgot azt mondhatjuk, hogy ezért, vagyis az örökletes információtartalom egyik nemzedékről a másikra történő megváltozásáért három fő tényező felelős: 1. A DNS -lánc megkettőződése során bizonyos valószínűséggel hibák történhetnek. Külső tényezők, például egyes kémiai anyagok, radioaktív vagy ultraibolya sugárzás e hibák előfordulásának valószínűségét növelhetik. Ezeket a hibákat ha megmaradnak ne- 12

13 mi a genom? vezzük gyűjtőnéven mutáció knak. A hibák keletkezése azonban lényegesen gyakoribb, mint a mutáció. Ennek az az oka, hogy valamennyi élő sejtben működnek hibajavító, korrigáló biokémiai rendszerek, amelyek a hibák döntő többségét kiküszöbölik. Az élővilág életképessége és evolúció ja szempontjából rendkívül fontos, hogy a javítás után megmaradó hibák, azaz a mutáció k száma igen alacsony legyen, de nem nulla. Mutációk tehát törvényszerűen, feltétlenül keletkeznek. 2. Az élőlények többségében az örökletes információ páronként hasonló szerkezetű (de nem teljesen azonos) kromoszómá kban található meg, a párok közül egyet az apától, egyet az anyától kap az utód. Az ivarsejt ek érésekor e párok szétválnak, a hím-, illetve női ivarsejt (spermium, illetve petesejt ) csak egy-egy példányt visz minden egyes párból. Ezt hívják számcsökkentő osztódásnak vagy meiózis nak. (Vigyázat: a kromoszómapárok létét ne tévesszük össze a DNS kettősspirál -szerkezetével! Természetesen a kromoszómapár mindkét tagjában külön-külön egy-egy kettős láncú DNS-molekula van.) Minthogy az egyes kromoszómapárok szétválása és egyegy utódsejtbe kerülése egymástól független, a puszta véletlen által irányított folyamatok, így az egyes ivarsejtek nem teljesen azonosak egymással, illetve a szülő sejtjeivel, nem pontosan ugyanazt a kromoszómakészletet, azaz DNS-állományt hordozzák. Úgy képzelhetjük ezt el, mintha a kromoszómák két csomag összekevert francia kártya lapjai volnának, ebben minden kártya két példányban van jelen, egy a piros hátú (apai), egy a kék hátú (anyai) csomagból. Az ivarsejtek keletkezésekor lezajló számcsökkentő osztódás modellje az, hogy a kártyákat két csomagra szétválasztjuk úgy, hogy a hátoldalt nem nézzük meg, csak arra ügyelünk, hogy minden kártyából jusson mindkét csomagba. Nyilvánvaló, hogy akárhányszor ismételjük ezt meg, minden alkalommal 13

14 Mi a genom? más lesz az egyes csomagokban a piros és kék hátú kártyák eloszlása. 3. Ha az előző pontban megfogalmazott szabályszerűség mindig igaz volna, akkor az utódsejtek kromoszómaállománya ugyan különbözne egymástól, illetve a szülősejtétől, egy-egy kromoszóma azonban tökéletesen azonos volna valamelyik szülőével, azaz az egy kromoszóma által hordozott gének mindig együtt szakkifejezéssel: kapcsoltan öröklődnének. Ez azonban nem teljesen igaz. A kromoszómapárok szétválása előtt történhet átkereszteződés és DNS -kicserélődés a pár két tagja között. Ezt a folyamatot rekombináció nak nevezik a genetikában. Annak a valószínűsége, hogy két DNSszakasz ily módon kicserélődik, annál nagyobb, minél távolabb helyezkednek el egymástól a kromoszómán. És viszont: minél közelebb vannak egymáshoz, annál szorosabb a kapcsoltság, annál kisebb a kicserélődés valószínűsége. Ez az arányosság tette lehetővé a klaszszikus genetikában a térképezés t, azaz az egyes gének egymáshoz viszonyított távolságának, helyzetének meghatározását. Mivel (a baktérium ok és a vírus ok kivételével) valamennyi élőlény minden egyes génből két példánnyal rendelkezik, amelyek közül egyet az apától, egyet az anyától kapott, felmerül a kérdés, hogy ha a két génpéldány különbözik egymástól, akkor az egyén életében melyikük hatása fog érvényesülni. Először is tisztáznunk kell, hogy ha a genom ugyanazon pontján egymástól kissé különböző szerkezetű, de azonos biológiai szerepet játszó gének fordulhatnak elő, akkor ezeket allél eknek nevezik. Ilyen allélek például az embernél az A vagy a B vércsoport meghatározásáért felelős gének. Ha egy adott génnek mindkét szülőtől ugyanazt az alléljét kapta az utód, akkor a kérdés fel sem merül, ebben az esetben azt mondjuk, hogy az adott génre vonatkozóan homozigóta 14

15 mi a genom? az egyed. Ha a két allél különböző, akkor heterozigótá ról beszélünk. Az esetek többségében ilyenkor az egyik allél hatása érvényesül a sejtben, a másiké nem. Ebben az esetben azt mondjuk, hogy az érvényesülő allél domináns, az elnyomott pedig recesszív. Előfordul az is, hogy mindkét allél hatása egyaránt érvényesül, és a két tulajdonság keveréke jelenik meg az utódban (ez az eset áll fenn például az AB vércsoportnál). Általában véve az apai és az anyai eredetű gének tökéletesen egyenértékűek, tehát ha az egyik szülőtől recesszív, a másik szülőtől domináns allélt örököl az utód, az eredmény szempontjából közömbös, hogy melyik szülőtől származott a domináns allél. Ez alól a szabály alól azonban lehetnek kivételek. Az ilyen kivétel oka az imprinting nek nevezett jelenség. Ez a szó azt jelenti, hogy a génen valamilyen nyomot hagy az, hogy az apából vagy az anyától származott-e, valamilyen kémiai módosítás történt a DNS -en az egyik szülőben, amely hat a kérdéses gén működésére. A kromoszómá k határozzák meg a nemet is. Az ember 23 pár kromoszómával rendelkezik. Ezek közül 22 pár esetében a pár két tagja lényegében egyforma, ezek az autoszómá k. A 23. pár tagjai azonban különlegesek, ezek a nemi kromoszómá k. A nőknél itt is egyforma a pár két tagja, ezt XX-szel jelöljük, férfiaknál azonban teljesen különböző a két nemi kromoszóma, az egyik X, a másik Y. Az utód az anyától tehát mindenképpen X-kromoszómá t örököl, az apától azonban 50%-os valószínűséggel vagy X-et, vagy Y-t. Az előbbi esetben lány, az utóbbiban fiú lesz az utód. A nemi kromoszómákról megjegyzendő még, hogy noha a nők két X-kromoszómával rendelkeznek, ezek közül csak az egyik funkcionál a testi sejtekben. A korai embrionális fejlődés során ugyanis a két X-kromoszóma közül az egyik (az, hogy melyik, azt a véletlen dönti el) inakti- 15

16 Mi a genom? válódik azt ezután Barr-testnek nevezik, és csak a másik marad működőképes. 2. ábra. Az emberi kromoszómaszerelvény A kromoszómák sematikus ábrázolása a mikroszkópban is látható sávos szerkezetet képezi le. A középen lévő szaggatott vonal a kromoszómák középső, úgynevezett centromer régióját jelzi. Ami a DNS második fő funkcióját illeti, azaz a sejt, illetve az egyed életében történő információátadást vagy ha úgy tetszik, parancsadást, ezzel kapcsolatban tudnunk kell, hogy az életműködések tényleges hordozói és kivitelezői a fehérjék. Fogalmazhatunk úgy is, hogy a biológiában a DNS képviseli a törvényhozó, a fehérjék pedig a végrehajtó hatalmat. A fehérjék felépítése sokkal változatosabb és bonyolultabb, mint a DNS-é, de végső soron az is leegyszerűsíthető egyszerűbb építőkövek az aminosav ak egymáshoz kapcsolódására. A fehérjék bonyolult térbeli szerkezetét ugyanis egy- 16

17 mi a genom? értelműen meghatározza aminosavaik sorrendje, egy adott aminosavsorrenddel rendelkező fehérje lánc az élő sejtben uralkodó körülmények között általában csak egyféleképpen tekeredhet fel bonyolult háromdimenziós struktúrába, olyanba, amelyben az élő sejtben biológiai funkcióját például egy bizonyos kémiai reakció katalizálását, gyorsítását ki tudja fejteni. Ezek az építőkövek az aminosav ak azonban nem négyen vannak, mint a nukleotid ok, hanem húszan. Húsz különböző aminosavból áll a fehérjék ábécéje, ezek egymás utáni sorrendjét egy-egy fehérjemolekulában a DNS nukleotidsorrendje szabja meg. Most már tehát pontosabban is meg tudjuk határozni, hogy mi a gén : egy fehérjemolekula kialakulását meghatározó DNS-szakasz. A négybetűs DNS- nyelv lefordítása a húszbetűs fehérje - nyelvre egy az egész élővilágban egységes rejtjelkulcs, a genetikai kód segítségével történik. E kód megfejtése a huszadik század hatvanas éveiben, a molekuláris biológia i kutatások legnagyszerűbb fegyverténye volt. 7 Ennek a kódnak a szótára ma minden biológiai tankönyvben megtalálható. A DNS-ben egymás után következő nukleotidok hármasával (szakkifejezéssel: triplet enként) alkotják e szótár egy-egy szavát, azaz kodonját. Mivel a négy különböző betűből 64 (4 3 ) különböző kodon -triplet, azaz hárombetűs szó képezhető, illetve a fehérjék nyelve húsz különböző jelből áll, ezért a hatvannégy különböző DNS-szó közül többnek ugyanaz a jelentése, vagyis a szótárban szinonimák vannak. Pontosabban: a húsz aminosav közül kettőnek csak egy-egy kodonja van, a többi tizennyolcnak több (2 6), és három olyan kodon van, amely nem felel meg aminosavnak, ezek nem kódolnak, ezek a szünetjelek. Ha megmaradunk a 7 A kód megfejtéséért 1968-ban kapott Nobel-díjat Holley, Khorana és Nirenberg. 17

18 Mi a genom? nyelvhasonlatnál, akkor ezek a pontnak felelnek meg, amely a mondatok végét jelenti. Mint az előbbiekben megállapítottuk, hagyományosan egy-egy fehérjelánc szerkezetét meghatározó DNS - szakaszt szoktuk egy gén nek tekinteni. Ez azonban meglehetősen durva leegyszerűsítés. Először is, a DNS és a fehérje között van még egy közvetítő molekula, az RNS (ribonukleinsav ), amely alapvetően nagyon hasonlít a DNS-re, szintén négy különböző nukleotid sokszoros egymáshoz kapcsolódásával épül fel, de nem kettőshélix -szerkezetű, hanem csak egyszerű lánc. Egy másik, az információátadás szempontjából jelentéktelen különbség a kétféle nukleinsav között, hogy a DNS dezoxiribóz a helyett az RNS nukleotid jaiban ribóz van, és a harmadik, ugyancsak lényegtelen különbség, hogy a DNS timin je (T) helyett az RNS-ábécében egy másfajta pirimidinbázis, uracil (U) áll. Amikor egy gén működésbe lép, akkor először az adott DNS -szakasz egyik láncáról egy RNS -másolat készül, ezt a folyamatot átírásnak, transzkripció nak nevezzük. Minthogy az átírás a DNS-nek csak az egyik száláról történik, ezért szokás az átírt DNS-szálat értelmes (sense), a másikat értelmetlen (nonsense) szálnak nevezni. A másolatkészítés szabálya ugyanaz, mint a DNS-kettőslánc másolásának a szabálya, azaz G-vel szemben csak C (és viszont), A-val szemben csak U (és T-vel szemben A) állhat. Az RNS-másolat jóval több információt tartalmaz, mint amely majd a fehérjében meg fog jelenni; a fehérjét kódoló részek előtt, után és között is vannak olyan szakaszok, amelyek a majdani fehérjében nem nyilvánulnak meg. Az átírás elsődleges RNS-termékéből egyes darabok később kiesnek (az ezeket kódoló DNS-szakaszokat intron oknak nevezik), és végül az átírt teljes génnél jóval rövidebb az a rész, amelyet hírvivő vagy messenger RNS-nek (mrns) nevezünk. Az átírás 18

19 mi a genom? elsődleges termékének átalakítása messenger RNS-sé a vágás-ragasztás (egyszerűbb angol szakkifejezéssel: splicing). A hírvivő RNS-ben megmaradó részeket a DNS exon oknak nevezett szakaszai kódolják. A messenger RNS nukleotidsorrend je kerül azután lefordításra a fehérjék nyelvére a genetikai kód által megszabott módon. E folyamatot a szaknyelv transzláció nak nevezi. A transzláció a riboszóma elnevezésű sejtszervecskéken folyik a citoplazmában, ezek anyagának fele fehérje, fele az úgynevezett riboszomális RNS (rrns). Az aminosavakat a fehérjeszintézis helyére, a riboszómába a transzfer RNS-ek (trns) szállítják, e transzfer RNS-ek kölcsönhatása a messenger RNS kódtripletjeivel határozza meg az aminosavak helyét az elkészülő fehérjeláncban. Hozzá kell ehhez tenni, hogy az átírt szakasz (vagyis az exonok és intronok összessége) sem a teljes gén, a génhez hozzá tartoznak még azok a hosszabb-rövidebb szabályozó szakaszok, amelyek maguk nem íródnak át, de amelyek felelősek azért, hogy a génben kódolt információ az egyén életében a megfelelő időben lépjen működésbe, és a gén terméke mindig a szükségleteknek megfelelő mértékben termelődjön. Különösen fontos ebből a szempontból a gén elején található szabályozó szakasz, amelyet promóter nek neveznek. A kész messenger RNS is hosszabb, mint a fehérjét kódoló rész, a molekula eleje és vége az úgynevezett nem transzlált szakasz, amelynek szabályozó szerepe lehet. A fentiek alapján tehát a gén többnyire lényegesen hosszabb, mint az a rész, amely a fehérjeláncot kódolja. Még e tény figyelembevételével is igaz azonban az, hogy a magasabb rendű élőlények genom ja, azaz teljes DNSállománya jóval több DNS-t tartalmaz, mint a gének összessége által képviselt DNS -mennyiség. A genom igen nagy része nem tartalmaz fehérjét kódoló gént, és e szakaszok biológiai szerepét teljes egészében máig 19

20 Mi a genom? nem ismerjük. Régebben ezt a fehérjét nem kódoló DNS-állományt szemét DNS -nek is nevezték, de ez félrevezető, téves szóhasználat, hiszen mint látni fogjuk egyre többet tudunk meg ezeknek a szakaszoknak a funkcióiról is. Végül fontos tudnunk azt is a genomról, hogy bár csak a DNS nukleotidsorrendje az az információ, amely nemzedékről nemzedékre átadódik és a többsejtű élőlények minden sejtjében azonos, korántsem csupán ez jelenti a genom ban tárolt összes információt. A DNS egyes nukleotidjain történhet olyan kémiai módosulás az egyedfejlődés során, amelynek biológiai hatásai vannak. A kromoszómá kban a DNS szoros kapcsolatban áll bizonyos fehérjékkel ezt a komplexumot kromatin nak nevezzük, és e fehérjék egyes kémiai módosulásai szintén befolyásolják a DNS működését. Mindezeket a módosulásokat gyűjtőnéven epigenetikus nak nevezzük. Epigenetikus változásokat környezeti hatások is képesek előidézni, és ezek az egyedfejlődés folyamán a normális mitotikus osztódás nál megmaradhatnak, a meiózis során azonban általában letörlődnek, azaz nemzedékről nemzedékre nem öröklődnek. Már régen tudjuk, hogy a genom mérete nagyjából arányos az élőlények fejlettségével, komplexitásával (hozzá kell ehhez tenni, hogy eme általános szabályszerűség alól igen sok eltérést találunk mind felfelé, mind lefelé). A legkisebb vírus oknál néhány ezer nukleotid, a baktérium oknál néhány millió, élesztő nél tízmilliós, muslicá nál százmilliós nagyságrendű, a gerinces állatok többségénél, így az embernél is mintegy 3 milliárd nukleotidpár a genom mérete. Tisztáznunk kell azt is, hogy a fenti adatok az úgynevezett haploid genomra vonatkoznak, azaz a magasabb rendű élőlényeknél egy kromoszómaszerelvény re. Mint tudjuk, ilyet csak az ivarsejt ekben (azaz a spermium okban és a petesejt ben) 20

21 mi a genom? találunk; a magasabb rendű élőlények testi sejtjei két kromoszómaszerelvényt tartalmaznak, amelyek egyikét az apától, másikát az anyától örökölték. Ez a diploid genom. Az eddigiekben mindig a sejtmag kromoszómáiban található DNS -ről beszéltünk, azaz a nukleáris genomról. Erre a megkülönböztető jelzőre azért van szükség, mert a magasabb rendű élőlények energiaszolgáltató sejtszervecskéi, a citoplazmá ban található mitokondrium ok és a növényi sejtek zöld színtestjei, a kloroplasztisz ok is tartalmaznak igen kis mennyiségű DNS-t, tehát beszélhetünk mitokondriális genom ról is amely a teljes genomnak egy csekély töredéke (az embernél például mindössze 37 gén t tartalmaz), és ezeket a géneket kizárólag az anyától örökli az utód, valamint a növények esetében kloroplasztisz genom ról is. Ezen a ponton érdemes tisztázni azt, hogy az előbb említett magasabb rendű élőlények -et a tudomány Eukaryota (valódi sejtmagvúak, eukariótá k) néven tiszteli. Az elnevezés annyit jelent, hogy ezek sejtjeiben a kromoszómák a sejtmag ban találhatók, amelyet egy membrán választ el a sejt többi részétől, a citoplazmá tól. Eukarióta valamennyi soksejtű élőlény, valamint az egysejtű állatok és növények is (s az egysejtű gombák is, pl. ilyen az élesztő ). Csak az eukarióta kromoszómákra jellemző, hogy a DNS meghatározott szerkezeti komplexumot képez bizonyos jellegzetes fehérjékkel, ez a kromatin. A kromatinon belül mikroszkóposan is meg lehet különböztetni kétféle, mind szerkezetileg, mind működésben különböző régiót, a lazább szerkezetű, működő géneket tartalmazó és a kromoszóma nagy részét alkotó eukromatin t, valamint a jóval kisebb kiterjedésű, tömörebb szerkezetű, biológiailag inaktív heterokromatin t. 21

22 A többi élőlény, a prokariótá k (Prokaryota) nem rendelkeznek elkülönült sejtmaggal, a sejtben többnyire egyetlen egyszerű szerkezetű kromoszóma van, azaz genomjuk haploid. Régebben a prokarióta fogalom egyet jelentett a baktériumokkal. Ma elsősorban a genomok ismeretének köszönhetően megkülönböztetjük a baktériumokat (Eubacteria ) az archeá któl (Archaebacteria ), amelyek számos molekuláris tulajdonságukban jobban hasonlítanak az eukariótákhoz, mint a baktériumokhoz, és az evolúció során teljesen külön fejlődtek a baktériumoktól. A genomról szóló bevezető ismertetés befejezéséül fontos leszögeznünk azt, hogy az abban kódolt, az egyedre jellemző információk összessége, a genotípus, bármilyen fontos is, nem határozza meg teljesen az embert, személyiségét, sorsát, leendő betegségeit stb. A genotípus és a környezeti hatások, életmód, táplálkozás, nevelés bonyolult kölcsönhatásainak eredményeként alakul ki az egyén megjelenési típusa, a fenotípus. Ezt az összefüggést számos hasonlattal lehet érzékeltetni, például ha a genotípus a zenemű partitúrája, akkor a fenotípus az előadott élő zenemű, amelyben megnyilvánul a karmester egyénisége, a zenekar minősége, a hangversenyterem akusztikája, a kürtös hamis játéka, a hallgatóság köhögése stb. 22

23 AZ EMBERI GENOM MEGISMERÉSÉNEK TÖRTÉNETE Előzmények Miután a huszadik század hatvanas éveiben kialakult és megszilárdult a molekuláris biológia előző fejezetben összefoglalt világképe, világossá vált, hogy minden élőlény örökletes információit a DNS -lánc nukleotidsorrend je hordozza, tehát a genotípus megismeréséhez ezt kell meghatározni. Létezett akkoriban egy olyan (ma már tudjuk, hogy hamis) illúzió is, hogy a nukleotidsorrend megismerése a biológiai kutatás végcélja, ha ezt elérjük, minden információ birtokában leszünk, amit a kérdéses élőlényről megtudhatunk. Ehhez azonban akkor még hiányoztak az eszközök. Az már tudott volt, hogy a haploid emberi genom mérete mintegy 3 milliárd nukleotidpár. Ez elképesztően nagy szám. Ennek érzékeltetésére gondoljuk meg, hogy másodpercenként egyet számolva megszámolásuk 100 évig tartana. Vagy: a nukleotidok egybetűs rövidítéseit és normál betűméretet használva ez a szöveg Budapesttől New Yorkig érne, és kinyomtatva mintegy 2000 átlagos méretű könyvből álló könyvtárat tenne ki. Módszertani szempontból a legfőbb nehézséget a DNS-molekulák egyenként is óriási mérete jelentette (egyetlen kromoszómában több tíz-, sőt százmilliónyi nukleotidpár a DNS-molekula hossza). Ilyen hosszúságú molekulát épségben, törésmentesen előállítani is lehetetlen a sejtből, illetve sokáig arra sem volt módszer, hogy a DNS -t meghatározott pontokon, reprodukálható módon el lehessen vágni kisebb darabokra. Ez a lehetőség a restrikciós endonukleáz enzim ek felfedezésével nyílott meg. 8 8 A felfedezés 1971-ben történt, ezért kapott Nobel-díjat ban Werner Arber, Hamilton Smith és Daniel Nathans. 23

24 Az emberi genom megismerésének története Ezek a (különböző baktérium okban előforduló) enzimek képesek felismerni általában 6 8 nukleotidpár hosszúságú szimmetrikus szakaszokat a DNS-ben (a nyelvi hasonlatunk értelmében: bizonyos gyakran előforduló szavakat ) és ezeken a helyeken nagy pontossággal elvágni a DNS -kettőslánc ot. Ezen enzimek felhasználásával így már lehetségessé vált az óriási DNS-molekulákat egyértelmű módon, kezelhető méretű, jól definiált (néhány száztól néhány millió nukleotid hosszúságú) szakaszokra bontani, noha ezek nukleotidsorrendjének megállapítása ekkor még nem volt lehetséges. A restrikciós endonukleázok felfedezése lehetővé tett egy további korszakalkotó technikai-módszertani újítást, amely szintén nagy szerepet játszott a genom későbbi megismerésében. Ez a szakszóval rekombináns DNS -technológiá nak, közkeletű kifejezéssel génsebészet nek nevezett, 1972-ben felfedezett eljárás, amely sokoldalú egyéb felhasználásán, alkalmazásán kívül lehetővé teszi (bizonyos méretbeli korlátok mellett) elvileg bármilyen, bárhonnan származó DNS-szakasz laboratóriumi felszaporítását, többnyire baktériumsejtekben. 9 Ezt hívják molekuláris klónozás nak. Érdemes továbbá ezzel kapcsolatban megemlíteni egy másik fontos technikai-módszertani előzményt, ez a röviden PCR -nek (Polymerase Chain Reaction = polimeráz-láncreakció) nevezett, 1986-ban felfedezett eljárás, amely szintén alkalmas DNS -szakaszok korlátlan laboratóriumi felszaporítására, és még biológiai közreműködő (baktériumsejt) sem kell hozzá, tiszta in vitro biokémiai technika Ezért kapott Nobel-díjat 1980-ban (Sanger és Gilbert társaságában) Paul Berg. 10 Felfedezéséért 1993-ban kémiai Nobel-díjat kapott Kary Mullis. 24

25 Előzmények A döntő áttörés azonban a hetvenes évek közepén következett be, amikor Walter Gilbert amerikai és Fred Sanger angol kutatók egymástól függetlenül kidolgoztak két teljesen különböző biokémiai eljárást a DNS nukleotidsorrendjének meghatározására. Mindkét módszer egy-egy kísérletben átlagosan mintegy 500 nukleotid hosszúságú DNS-darabok nukleotidsorrendjének meghatározására volt alkalmas, körülbelül azonos hatékonysággal, ezért mindketten Nobel-díj at kaptak 1980-ban. 11 A következő évtizedben a Sangermódszert sikerült automatizált műszerekre adaptálni, a Gilbert-módszert viszont nem. Ezért ez utóbbi technika alkalmazása gyakorlatilag megszűnt, tudománytörténeti epizóddá vált. Az emberi genom nukleotidsorrendjének meghatározásához kizárólag a Sanger-módszert használták. Sanger és tucatnyi munkatársa az új eljárás segítségével, mintegy kétévi munkával 1977-ben meghatározták a legkisebb ismert vírus, a ΦX174 nevű bakteriofág 5736 nukleotid hosszúságú DNS-ének teljes nukleotidsorrendjét. Ez a DNS természetesen több százezerszer kisebb az emberi genom nál, így amikor 1985-ben elsőként Robert Sinsheimer összehívott egy konferenciát annak megvitatására, hogy meg lehetne-e próbálni az emberi DNS teljes nukleotidsorrendjének meghatározását, ezt akkor többnyire még utópisztikus álomnak tartották. Miért? Visszatérve a korábban használt könyvtárhasonlatra: ha adva van egy 2000 kötetes könyvtárnyi terjedelmű folyamatos, ismeretlen szövegünk, továbbá van egy módszerünk, amellyel a szöveg egyes mondatait vagy bekezdéseit el tudjuk olvasni, és van egy másik módszerünk, amellyel egyes gyakran 11 Sangernek ez a második Nobel-díja volt, az elsőt 1958-ban kapta a fehérjék aminosavsorrendjének megállapítására szolgáló módszerek kidolgozásáért és az első fehérje, az inzulin aminosavsorrendjének meghatározásáért. 25

26 Az emberi genom megismerésének története előforduló szavakat felismerve ezeknél el tudjuk vágni az egész szöveghalmazt sok tízezer darabra, azzal még nem tettük lehetővé az egész szöveg elolvasását. Szükség lett volna ehhez még olyan módszerekre, amelyek tájékozódási pontokat azonosítanak, egyre nagyobb sűrűségben, a könyvtár szövegében. Más szavakkal: növekvő felbontású térképekre, vagyis visszatérve az irodalmi hasonlathoz a könyvtár katalógusára és az egyes kötetek tartalomjegyzékeire. Ahogy a nyolcvanas évek során kezdtek megszületni az erre alkalmasnak tűnő módszerek, egyre többen köztük számos Nobeldíj as tudós foglalkoztak komolyan a gondolattal, és hamarosan igen éles, a tudománytörténetben páratlan politikai, etikai és tudományos vita bontakozott ki arról, hogy szabad-e, kell-e, érdemes-e belefogni egy ilyen vállalkozásba. A tudományos ellenvetések legfontosabbika abból indult ki, hogy az emberi genomnak csak néhány százalékát teszik ki a funkcionáló gének, a többi: fehérjét nem kódoló intron, vagy más, nem lefordított szekvencia, az akkoriban gyakori szóhasználattal szemét DNS. A program erőfeszítéseinek nagy része tehát feleslegesnek fog bizonyulni, hasznos információt nem nyújt. Helyesebb volna tehát kizárólag az aktív gének átírt szekvenciáira koncentrálni, csak azokat meghatározni. A tudománypolitikai jellegű ellenvetések egyfelől azt állították, hogy a program robotszerű nagyüzemmé teszi a tudomány egy részét, megöli az egyéni kezdeményezést és az ötleteket, vagyis azt, ami a legértékesebb az amerikai tudományban. Másrészt azt vitatták, hogy helyes-e ilyen nagy összegeket egy témára koncentrálni, nem fogja-e ez megfojtani más, legalább ilyen fontos területek fejlődését azzal, hogy elszívja az erőforrásokat. A morális ellenzők attól tartottak, hogy a program megvalósítása erősíteni fogja a társadalomban az egy- 26

27 A Humán Genom Program (HGP) oldalú, teljes genetikai determináltság tévképzetét, ezzel súlyos pszihológiai és szociológiai problémákat okozva. Azt is sokan felvetették, hogy a genetikai információ illetéktelen birtoklása visszaélésekhez vezethet, hogy kialakulhat egy genetikailag determinált alsóbb osztály, hogy veszélyes genetikai diszkrimináció alakulhat ki a munkaerő- és az egészségbiztosítási piacon. Ezt a múlt század nyolcvanas éveinek második felében zajló vitát és az USA-ban a vele párhuzamosan zajló politikai lobbiharcokat azóta több kiváló könyv ismertette, de mivel az az igen párt győzelmével végződött, és a program megszületett, majd sikerrel befejeződött, ez ma már csak a tudománytörténet számára érdekes. A Humán Genom Program (HGP) október elsejével tehát megindult az USA-ban a Human Genome Program (HGP ), az a nagyszabású kollektív tudományos vállalkozás, amely célul tűzte ki az emberi DNS (azaz a genom ) teljes nukleotidsorrendjének a meghatározását. Két nagy elődjéhez, az atombomba kifejlesztését célzó Manhattan-tervhez és a holdra szállást célzó Apollo-programhoz hasonlóan a HGP is az USA szövetségi költségvetéséből irányzott elő 3 milliárd dollárt a 15 évre tervezett gigavállalkozás megvalósítására. A program irányítására az NIH (National Institutes of Health = Nemzeti Egészségügyi Intézetek) keretein belül új intézet létesült, a Humán Genomkutatás Nemzeti Központja (NCHGR ), amelynek első vezetője a Nobel-díj as J. D. Watson lett. Az NIH egyéb intézményeiben folyó idevágó kutatások összehangolására létesült egy koordináló bizottság és egy állandó programtanács. A DOE (Department of Energy = Energiaügyi Minisztérium) több nagy korábban el- 27

28 Az emberi genom megismerésének története sősorban atomkutatással foglalkozó kutatócentrumában is, így a Lawrence Berkeley, a Lawrence Livermore és a Los Alamos Nemzeti Laboratórium okban nagy genomkutató csapatokat hoztak létre a legkorszerűbb felszereltséggel. A program elindítói előtt kezdettől fogva világos volt, hogy felülről lefelé kell haladni, azaz a nagyszabású szekvenálás i (sorrend-meghatározási) munkát a térképezés i fázisnak kell megelőznie. Tehát először egyre nagyobb sűrűségben tájékozódási pontokat kell meghatározni az egyes kromoszómákban lévő millió nukleotidpár nagyságrendű DNSmolekulákon, vagyis térképezni kell. Ezen a ponton érdemes megjegyezni, hogy a program befejezésekor a tömegkommunikáció többnyire arról tudósított, hogy meghatározták az ember géntérkép ét. Ez félrevezető szóhasználat, hiszen ennél sokkal többről volt szó, a térkép meghatározása (vagyis a könyvtár katalógusa és az egyes kötetek tartalomjegyzékének megismerése) csak előfeltétele volt a jóval nagyobb feladat megoldásának, a teljes szöveg betűhív megismerésének. Ugyancsak téves szóhasználat az, hogy meghatározták az ember genetikai kódját. A kód ugyanis az egész élővilágban azonos, és ekkoriban már meg volt fejtve. Azt az üzenetet, szöveget olvasták el, amely e kódot felhasználva működik az élő sejtben. A program első ötéves terve tehát a következő célokat tűzte ki: 1. Teljes (humán) genetikai térkép készítése legalább 2 5 cm marker sűrűséggel. Ez a mondat magyarázatra szorul. A hagyományos genetika (mielőtt kiderült, hogy a DNS az öröklési anyag) egyes tulajdonságok öröklésmenetének tanulmányozásával már képes volt arra, hogy az e tulajdonságokat meghatározó gének sorrendjét, egymáshoz viszonyított helyzetét és közelítő 28

29 A Humán Genom Program (HGP) távolságát meghatározza. A genetikai távolság egysége a centimorgan (cm), egy absztrakt viszonyszám. Mai ismereteink szerint egy centimorgan durva közelítéssel körülbelül egymillió nukleotidpár nak felel meg a DNS-molekulában. Egyes vírus okról és baktérium okról már ebben a klasszikus korban is elég nagy felbontású genetikai térkép ek készültek, de az embernél e térképek még igen tökéletlenek voltak. A program kezdetekor az ismert legjobb emberi géntérkép mindössze 403 térképpontot (szakzsargonnal: marker t, azaz jegyet) 12 tartalmazott, 10 cm átlagos sűrűséggel. 2. Teljes (humán) fizikai térkép készítése, nukleotidonként legalább egy marker sűrűséggel. Mióta tudjuk, hogy a DNS az öröklési anyag, és ismerjük a szerkezetét, azóta van értelme a szó szoros értelmében vett fizikai távolságokról is beszélni a DNS-ben, hiszen tudjuk, hogy az emberi DNS teljes hosszúsága mintegy 2 méter, két szomszédos nukleotid távolsága 3,4 Å (1 Å = 1 angström = 10-8 cm), tehát bármilyen két pont (marker) távolsága a DNS-en a molekula fizikai valóságában hosszmértékkel mérhető. 3. Javítani a szekvenálás i módszereket, illetve új módszereket kidolgozni, amelyek költsége a nukleotidonkénti 0,5 dollárt nem haladja meg. Legalább 10 millió nukleotidnyi folyamatos szekvencia meghatározása. 4. Legalább 20 millió nukleotidnyi szekvencia meghatározása különböző modellszervezetekben (Escherichia coli és Bacillus subtilis baktériumok, Saccharomyces cerevisiae élesztő, Caenorhabditis elegans fonalféreg, Drosophila melanogaster ecetmuslica, Arabidopsis thaliana lúdfű, Mus musculus egér ), és ezzel kapcsolatos új technológiák kidolgozása. E modellorganizmusok genomja (az egéré kivételével) jóval kisebb az emberénél, 12 A marker bármilyen kémiailag vagy genetikailag azonosítható pontja a genomnak. 29

30 Az emberi genom megismerésének története és ekkor már az emberénél sokkal részletesebb genetikai térképekkel is rendelkeztek. A teljes nukleotidsorrendek meghatározása ezeknél tehát az emberénél könnyebb feladatnak látszott, és mintegy előgyakorlatként szolgálhatott az emberi genom megismeréséhez. 5. Szoftver- és adatbázistechnológia-fejlesztés a nagy volumenű szekvenálási programok segítésére. Algoritmusok, adatbázis-kezelő programok fejlesztése a nyert adatok interpretálásának megkönnyítésére. 6. Az etikai, jogi és társadalmi következmények felmérése. A problémák definiálása, cselekvési alternatívák kidolgozása. Ez a munkatervi pont az előzetes viták során felmerült etikai aggályokra adott válaszként született. A program jelentős fejezete lett az ELSI (Ethical, legal and social implications = Erkölcsi, jogi és társadalmi következmények) alprogram. 7. Pre- és posztdoktorális speciális képzés támogatása, amelynek az ötödik évre el kell érnie az évi 600 főt. 8. A programot segítő innovatív, magas kockázatú technológiai fejlesztések támogatása. 9. Az iparral és az orvostársadalommal ápolt kapcsolatok javítása, a technológiatranszfer elősegítése. Az amerikai Humán Genom Program hoz fogható súlyú, támogatottságú és szerveződésű erőfeszítés nem volt más a világon, de szinte minden, a tudományban számottevő szerepet játszó ország így Japán, Nagy- Britannia, Franciaország, Olaszország és (nagy késéssel, a fontosabb országok közül utolsóként) Németország elkészítette saját programját. Még a gorbacsovi Szovjetunió is indított egy később elhaló ambiciózus programot. Természetesen az Európai Uniónak is lett saját programja, és az utolsó szakaszban Kína is csatlakozott. Mindezeknek az erőfeszítéseknek a koordinálására létrejött egy nemzetközi szervezet (HUGO = Human Genome Organization), amelynek pénze, illetve admi- 30

31 A Humán Genom Program (HGP) nisztratív hatalma nem volt, de igen nagy tekintélyű tudósok vezették, így volt bizonyos befolyása arra, hogyan alakuljon a genomkutatás világszerte. A kilencvenes évek közepére a program vezetői megelégedéssel állapíthatták meg, hogy első célkitűzéseik döntő többsége teljesült, sőt túlteljesült. Egyetlen kivételnek a 3. pont bizonyult. Jelentős erőfeszítések ellenére nem sikerült új szekvenciameghatározás i módszert találni. A Sanger-módszeren apró javításokat eszközöltek, új automata berendezésekkel jelentősen növelték a kapacitását, sebességét, de alapvető változás nem történt, a program során mindvégig ezt a technológiát használták (a szekvenálást nagyságrendekkel olcsóbbá és gyorsabbá tevő technológiai fordulat csak a 21. században történt meg). Az 1994-re elkészült integrált genetikai térkép 5840 marker t azonosított 0,7 cm átlagos sűrűséggel. A fizikai térképezés ugyan nem érte el teljesen a kívánt felbontást (a megkívánt nukleotidonkénti egy térképpontot), de a két térkép tökéletesen integrált volt, és nagy biztonsággal hibamentes. (Ezt azért érdemes kiemelni, mert az elsőként alkalmazott nagyon ígéretes térképezési módszerről kiderült, hogy alkalmazása mesterséges kromoszóma átrendeződésekkel járt, és emiatt félrevezető, hamis térképadatokat szolgáltatott.) A modellszervezetek genomjának megismerése nagyrészt (az egéré kivételével) befejeződőtt a program során: 1996-ban az élesztő, 1997-ben a két baktérium (Escherichia coli és Bacillus subtilis ), 1998-ban a fonalféreg és 2000-ben a muslica, illetve a lúdfű genomjának teljes szerkezetét közölték a szakirodalomban. Az egérét csak az emberé után, 2002-ben fejezték be. Az emberi genom on tényleges szekvenciameghatározás ekkor még alig történt, 1996-ban mindössze körübelül 2% készült el. 31

32 Az emberi genom megismerésének története 1998-ban azonban döntő fordulat következett be a HGP alakulásában. Ennek előzménye az volt, hogy egy kiváló és sikeres kutató, Craig Venter, aki kezdetben még részt vett a programban, elégedetlen volt annak bürokratikus szerveződésével és irányításával, ezért elhagyta a Nemzeti Egészségügyi Intézet eket. Új munkahelyén viszont saját vállalkozást alapított, és itt 1995-ben meghatározta az első sejtes élőlény, a Haemophilus influenzae nevű baktérium teljes 2 millió nukleotidpár nyi genomjának a szekvenciáját. Ehhez alapvetően más stratégiát alkalmazott, mint a HGP irányítói. Nem készített és nem is használt semmilyen genetikai vagy fizikai térkép et. A baktérium DNS -ét véletlenszerűen tördelte össze szekvenciázható méretű darabokra, és ezeknek a daraboknak meghatározta a nukleotidsorrendjét, mindennemű válogatás, előzetes rendezés nélkül. A véletlenszerű darabolás azt jelentette, hogy a nagyszámú DNS-molekula mindegyike más-más helyen tört, ezért ha kellően sok (a teljes DNS-t minimálisan lefedő számúnál szor több) darabot szekvenált, akkor nagy valószínűséggel egymást átfedő szekvenciákat kapott. Ez az alulról felfelé haladó stratégia lehetővé tette, hogy egy nagy teljesítményű számítógép egy új program segítségével összeállítsa a baktérium teljes DNS-szekvenciáját. Venter eredményét és újszerű stratégiáját a tudományos világ egyértelmű elismeréssel fogadta, de ekkor még senki (feltehetően maga Venter) sem gondolt arra, hogy ez a megközelítés alkalmazható lenne az emberi genomra is. Elsősorban azért, mert nyilvánvalóan e stratégia nehézségei a DNS méretével exponenciálisan nőnek, és az emberi DNS 1500-szor nagyobb, mint a Haemophilusé. A második még fontosabb ok az volt, hogy szemben a baktériummal, amelynek a DNS-e gyakorlatilag egyedi, ismétlődéseket nem tartalmazó nukleotidsorrenddel rendelkezik, az ember (és a magasabb rendű élőlények) 32

33 A Humán Genom Program (HGP) genomjában jelentékeny hosszúságú szakaszok több százszor, bizonyos rövidebb szakaszok sok ezerszer, sőt milliószor is ismétlődnek. Ez természetesen a konzervatív, térképezéses megközelítésnél is igen nagy nehézségeket okoz, de a Venter -féle stratégia sikeres alkalmazását emiatt szinte lehetetlennek vélték. Legalábbis 1998-ig. Ekkor ugyanis Venter előállt javaslatával, hogy ő magánvállakozásban, jóval olcsóbban és gyorsabban elvégezné a teljes emberi DNS-nukleotidsorrend meghatározását az általa kimunkált stratégiával, mint a hivatalos állami program. Ez a bejelentés óriási vihart kavart, a szakmai közvélemény nagyrészt szkepszissel, sőt felháborodással fogadta. A felháborodás oka elsősorban az volt, hogy mivel Venter magántőkét akart használni, a megfejtett szekvenciát szabadalmaztatni kívánta, és a tőke megtérülését az eredmények áruba bocsátásától remélte. Ezzel szemben a hivatalos program alapelve az volt, hogy minden információ azonnal szabadon hozzáférhető legyen mindenki számára. A kialakuló éles vita ellenére Venter nem tántorodott el elhatározásától, és 1999-ben, jelentős magántőke segítségével hozzáfogott programja végrehajtásához. A hatékony állami-politikai beavatkozás jóvoltából a következő évben a két fél fegyverszünetet kötött, és ennek eredményeként június 26-án nagy fanfárral Clinton amerikai elnök és Blair brit miniszterelnök jelenlétében Venter és az állami programot vezető Collins együttes sajtóértekezleten jelentették be a két párhuzamos erőfeszítés sikeres befejezését. A szaksajtóban is közös megegyezéssel publikálták 2001 januárjában, illetve februárjában a világ két vezető tudományos lapjában, a Science-ben és a Nature-ben a teljes emberi DNS -nukleotidsorrendet. Ez a mondat pontosítandó, először is azért, mert természetesen nem magát a szekvenciát publikálták (hiszen leírva az egy 33

34 Az emberi genom megismerésének története 2000 kötetes könyvtárt tett volna ki), hanem csak a megfejtés útját és az abból levonható főbb következtetéseket; másodszor pedig azért, mert a megfejtés távolról sem volt teljes, inkább csak ígéretet jelentett, hogy a feladat biztosan megoldható, és a közeljövőben befoltozhatóak lesznek a szekvenciában még bőven meglévő hiányok, hézagok, bizonytalanságok (melyeknek a száma ekkor körülbelül volt, és a közölt szekvencia csak az eukromatikus genom 90%-át fedte le). Az utómunkálatokban Venter vállakozása már nem vett részt, a Collins vezette program tényleges befejezése, a végleges szekvencia publikálása 2004-ben történt meg. Hozzá kell ehhez fűzni, hogy még ebben a valóban véglegesnek tekinthető DNS -nukleotidsorrend ben is van néhány hiány, mintegy 300 rövid jól ismert helyű szakasznak a szekvenálása technikailag lehetetlennek bizonyult. Tekintettel azonban arra, hogy ezek minden bizonnyal funkció nélküli elemei a teljes genomnak, valószínűleg nem is érdemes további nagy erőfeszítéseket tenni a technikai nehézségek legyűrésére, és ezt a genom képet, amely az eukromatikus genom 99,7%-át reprezentálja, befejezettnek kell tekintenünk. Mi történt a HGP befejezése óta? A sikerrel befejezett HGP -vel, illetve a közölt teljes emberi genomszekvenciá val kapcsolatban nyilvánvalóan felmerülő első kérdés: kinek a DNS -nukleotidsorrend jét fejtették meg (hiszen köztudott, hogy minden emberé többé-kevésbé különböző)? A válasz: a kutatók több egyén DNS-ének keverékével dolgoztak, sőt a politikai korrektség jegyében a vizsgált személyek között megfelelő arányban volt férfi és nő, fehér, afro-amerikai és ázsiai. Az eredmény tehát az átlagos ember genom ja, 34

35 Mi történt a HGP befejezése óta? azaz a biológia szakkifejezésével az emberi faj vad típus a, vagy filozofikusabban fogalmazva az ember platóni ideájának DNS-szekvenciája, amelynek minden egyes pontján az embernél leggyakrabban előforduló nukleotid szerepel. Ettől az ideáltípustól természetesen minden egyes emberi egyed DNS-szekvenciája eltér, átlagosan körülbelül egy ezreléknyi mértékben (valamivel pontosabban: az egyedi szekvenciák átlagosan 1300 nukleotidonként térnek el ettől). Ez az eltérés hamarosan konkretizálódott. Az első teljes egyedi emberi szekvenciameghatározás (Craig Venter é) 2007-ben készült el, ezt követte James Watson é, majd egy névtelen kínaié, egy nyugat-afrikai yoruba bennszülötté és egy rákban elhunyt fehér amerikai nőé. Ma már igen nagyszámú teljes egyedi szekvencia található az adatbázisokban, közülük talán a legérdekesebb egy 4000 éve Grönlandon elhunyt jégbe fagyott kőkorszaki szaki -é. 3. ábra. A genomkutatás két hőse, James D. Watson és Craig J. Venter, az első két személy, akiknek DNS-szekvenciáját megfejtették Az előző fejezetben szó volt arról, hogy a HGP első célkitűzései közül egy nem valósult meg: nem sikerült a Sanger-módszer helyett új, nagyobb hatékonyságú, olcsóbb módszert találni a szorosabb értelemben vett szekvenálás ra. Ez a fordulat azonban a program befejezése után megtörtént. 35