Satu dekade yang lalu, sebuah tim peneliti internasional menyelesaikan upaya ambisius untuk membaca 3 miliar surat informasi genetik yang ditemukan di setiap sel manusia. Program tersebut, yang dikenal sebagai Proyek Genom Manusia, memberikan cetak biru untuk kehidupan manusia, sebuah prestasi yang telah dibandingkan dengan mendaratkan seorang pria di bulan.
Eric D. Green terlibat sejak awal, menyempurnakan beberapa teknologi utama yang digunakan dalam proyek. Pada saat itu, ia adalah seorang postdoctoral fellow dan residen dalam patologi di Universitas Washington di St. Louis. Dia mengukir 5 persen genomya, dengan fokus pada pemetaan DNA kromosom 7. Hari ini, Green adalah direktur National Human Genome Research Institute, yang memajukan pemahaman genom manusia melalui penelitian genomik.
Mari kita kembali ke pertengahan hingga akhir 1980-an, ketika ide untuk Proyek Genom Manusia pertama kali disusun. Apa motivasi saat itu?
Tergantung siapa yang kamu tanya. Orang yang berbeda memiliki motivasi yang berbeda pula. Perlu diingat bahwa '70 -an dan awal '80 -an adalah era revolusi biologi molekuler. Ada kemajuan signifikan dalam metode yang memungkinkan kami untuk mengisolasi dan mempelajari DNA di laboratorium.
Di AS, misalnya, Departemen Energi menjadi sangat tertarik pada gagasan mempelajari genom karena minat pada mutasi, dan proses mutasi yang terkait dengan beberapa bentuk energi, seperti energi nuklir.
Jika Anda pergi ke tempat-tempat seperti National Institutes of Health, atau Anda melihat peneliti biomedis dan peneliti yang berhubungan dengan kesehatan, mereka sangat tertarik untuk dapat menjelaskan dasar genetik penyakit. Di antara banyak penyakit genetik yang sedang dipertimbangkan, tentu saja, adalah kanker.
Banyak orang lain di seluruh spektrum penelitian biomedis - bahkan mereka yang bekerja pada organisme model, seperti lalat dan cacing dan ragi - mengakui bahwa jika kita dapat mencari cara untuk melihat secara komprehensif genom kompleks, mulai dengan lalat dan cacing dan ragi tetapi kemudian bekerja cara kami kepada manusia, itu akan memberikan informasi dasar untuk memahami bagaimana genom bekerja.
Ada perpaduan banyak ide berbeda yang, dengan latar belakang memiliki kemajuan teknologi yang penting tetapi terus-menerus, membuatnya tampak bahwa, walaupun menakutkan, masalah pengurutan genom manusia dan menentukan urutan 3 miliar huruf adalah mungkin.
Dari mana bahan untuk proyek genom berasal? Genom siapa itu?
Ketika proyek genom dimulai, itu masih sedikit demi sedikit. Orang yang berbeda membuat koleksi dan fragmen DNA yang berbeda yang disebut perpustakaan, yang hanya potongan DNA yang dikloning. Mereka akan melakukannya dari siapa pun: Kadang-kadang itu akan menjadi kepala lab, kadang-kadang akan menjadi sesama postdoctoral atau mahasiswa pascasarjana. Mereka hanya akan mengambil DNA saat itu ketika benar-benar tidak ada implikasi dari itu.
Tapi kemudian, ketika akhirnya tiba saatnya untuk membuat perpustakaan yang akan digunakan untuk mengurutkan genom manusia oleh Proyek Genom Manusia, orang yang merupakan orang terbaik untuk membuat perpustakaan itu adalah seorang ilmuwan yang bekerja di Roswell Park Cancer Institute di Buffalo, New York. [Tim] mendapat persetujuan dari sekitar 10 atau 20 donor darah anonim, dan kemudian memilih salah satu dari mereka secara acak, dan itu adalah orangnya. Sekitar 60 persen dari urutan genom manusia yang dihasilkan oleh Proyek Genom Manusia berasal dari satu donor darah di Buffalo, New York.
Tapi, Anda tahu, itu tidak masalah. Jika Anda menjelajahi urutan genom manusia yang dihasilkan oleh Proyek Genom Manusia, itu seperti sebuah mosaik. Anda bisa mendapatkan seratus ribu surat dan mungkin satu orang, dari Buffalo. Mungkin berakhir bahwa Anda akan pergi seratus ribu berikutnya dan itu akan menjadi orang lain. Dan seratus ribu berikutnya, orang lain. Semua yang dijadikan sebagai referensi. Dan karena semua manusia 99, 9 persen identik pada tingkat urutan, urutan pertama itu tidak harus menjadi manusia nyata. Itu bisa saja menjadi referensi hipotetis seseorang.
Dari semua informasi itu, mengapa Anda memilih untuk fokus pada kromosom 7 [genom manusia memiliki 23 kromosom]?
Itu agak sewenang-wenang. Kami ingin memilih kromosom yang tidak terlalu besar. Kami tidak ingin memilih yang terlalu kecil. Kami tahu akan ada banyak pekerjaan, jadi kami memilih kromosom berukuran sedang.
Kami tidak ingin memilih satu yang sudah banyak orang mengerjakannya. Pada titik itu, gen yang paling terkenal pada kromosom 7 adalah gen fibrosis kistik, dan itu ditemukan pada tahun 1989. Dan kami sebenarnya telah mengisolasi beberapa wilayah itu dan sedang melakukan beberapa penelitian dengan cara percontohan.
Sebenarnya, kami mengambilnya karena tidak terlalu besar, tidak terlalu kecil dan tidak terlalu ramai. Itu cara yang sewenang-wenang untuk memulai; pada saat proyek genom berakhir, sebagian besar penelitian dilakukan di seluruh genom.
Bagaimana perubahan pekerjaan sepanjang masa proyek?
Seluruh kisah genomik adalah salah satu pengembangan teknologi. Jika Anda melacak di mana kemajuan besar dibuat, masing-masing dari mereka terkait dengan lonjakan teknologi. Pada awal proyek genom, gelombang datang bahwa kita memiliki cara yang lebih baik untuk mengisolasi potongan-potongan besar DNA.
Ketika kami mengurutkan genom organisme yang lebih kecil — seperti lalat buah Drosophila — kami pada dasarnya mengembangkan proses melakukan pengurutan, membuatnya semakin otomatis.
Ketika proyek genom dimulai, idenya adalah, "Mari kita urutan genom lalat dan cacing dan ragi, semua organisme yang lebih kecil ini, menggunakan metode hari ini, " yang merupakan metode ini dikembangkan oleh Fred Sanger pada tahun 1977. Idenya adalah mereka tidak akan mendorong akselerator untuk mulai mengurutkan genom manusia sampai metode sekuensing baru yang revolusioner tersedia. Jadi ada banyak upaya untuk mengembangkan cara gila baru dalam mengurutkan DNA.
Ketika tiba saatnya, sekitar tahun 1997 atau 1998, untuk benar-benar berpikir tentang mulai mengurutkan genom manusia, semua orang berkata, "Mungkin kita tidak perlu menunggu metode revolusioner, mungkin kita telah secara bertahap meningkatkan metode kuno dengan baik. cukup sehingga bisa digunakan, ”dan memang itulah yang diputuskan.
Yang mengatakan, sejak proyek genom, hal yang telah mengubah wajah genomik adalah teknologi sekuensing baru yang revolusioner yang akhirnya muncul sekitar tahun 2005.
Bagaimana perbaikan itu mengubah biaya dan waktu yang dibutuhkan untuk pengurutan?
Proyek Genom Manusia membutuhkan enam hingga delapan tahun sequencing aktif dan, dalam hal sequencing aktif, mereka menghabiskan sekitar satu miliar dolar untuk menghasilkan urutan genom manusia pertama. Pada hari proyek genom berakhir, kami bertanya kepada kelompok sekuensing kami, "Baiklah, jika Anda akan mengurutkan genom manusia kedua, secara hipotetis, berapa lama dan berapa biayanya?" Dengan bagian belakang amplop perhitungan, mereka berkata, "Wow, jika Anda memberi kami 10 hingga 50 juta dolar, kami mungkin bisa melakukannya dalam tiga hingga empat bulan."
Tetapi sekarang, jika Anda pergi ke tempat kita hari ini, Anda dapat mengurutkan genom manusia dalam waktu sekitar satu atau dua hari. Pada akhir tahun ini, itu akan menjadi sekitar satu hari. Dan harganya hanya sekitar $ 3.000 hingga $ 5.000.
Apa temuan utama dari genom pertama dan yang mengikuti?
Ada temuan baru yang datang setiap hari. Dalam 10 tahun pertama sebelum kita memiliki urutan genom manusia, saya pikir kita setiap hari mengumpulkan lebih banyak informasi tentang cara kerja genom manusia. Tetapi kita harus menyadari bahwa bahkan 10 tahun kemudian, kita hanya berada pada tahap awal menafsirkan urutan itu. Puluhan tahun dari sekarang kita masih akan menafsirkan, dan menafsirkannya kembali.
Beberapa hal paling awal yang kami pelajari, misalnya: Kami memiliki lebih sedikit gen daripada yang diperkirakan beberapa orang. Ketika genom dimulai, banyak orang meramalkan bahwa manusia mungkin memiliki 100.000 gen, dan mereka akan memiliki lebih banyak gen daripada organisme lain, terutama organisme yang lebih sederhana. Ternyata itu tidak benar. Ternyata jumlah gen kita jauh lebih rendah. Faktanya, kita mungkin lebih seperti 20.000 gen. Dan itu hanya beberapa ribu lebih dari lalat dan cacing. Jadi kompleksitas kita tidak ada dalam jumlah gen kita. Kompleksitas kami di tempat lain.
Kejutan lainnya datang ketika kami mulai mengurutkan mamalia lain — khususnya, genom tikus, genom tikus, genom anjing dan sebagainya, dan sekarang kami telah mengurutkan 50, 60, 70 genom semacam itu. Anda menyejajarkan urutan-urutan genom di komputer dan Anda melihat untuk melihat di mana urutan-urutan yang sangat dilestarikan, dengan kata lain melintasi puluhan juta tahun waktu evolusi, di mana urutan-urutan genom itu tidak berubah sama sekali. Sangat, sangat evolusioner urutan terlestarikan hampir pasti untuk urutan fungsional. Ini adalah hal-hal yang tidak ingin diubah oleh kehidupan dan karenanya mereka mempertahankannya karena mereka melakukan beberapa fungsi mendasar yang penting yang diperlukan untuk biologi. Menuju proyek genom, kami pikir mayoritas wilayah yang paling dilestarikan yang secara fungsional penting akan berada dalam gen — bagian-bagian genom yang secara langsung mengkode protein. Ternyata, sebagian besar urutan fungsional yang paling sangat terpelihara dan tak terhindarkan tidak di daerah pengkode protein; mereka berada di luar gen.
Jadi apa yang mereka lakukan? Kami tidak tahu semuanya. Tetapi kita tahu banyak dari mereka pada dasarnya adalah sakelar rangkaian, seperti sakelar dimmer untuk lampu, yang menentukan di mana dan kapan dan berapa banyak gen dihidupkan. Ini jauh lebih rumit pada manusia daripada di organisme rendah seperti lalat dan cacing. Jadi kompleksitas biologis kita tidak begitu banyak dalam jumlah gen kita. Di switch kompleks, seperti switch dimmer, yang mengatur di mana, kapan, dan berapa banyak gen yang bisa dihidupkan.
Apa yang tersisa untuk mencari tahu?
Ketika Anda berpikir tentang cara kerja genom, itulah yang memikirkan cara kerjanya secara umum bagi kita semua. Tetapi penekanan besar lainnya dalam genomik - terutama dalam 10 tahun terakhir - adalah untuk memahami bagaimana genom kita berbeda. Jadi di sana Anda dapat menekankan 0, 1 persen genom kami yang berbeda dibandingkan satu sama lain dan bagaimana perbedaan itu mengarah pada proses biologis yang berbeda. Jadi di sana, memahami variasi sangat, sangat penting, dan kemudian menghubungkan variasi itu dengan konsekuensi yang berbeda, yang mana penyakit merupakan bagian utama darinya.
Ada kemajuan yang luar biasa, hanya benar-benar luar biasa. Kita sekarang tahu dasar genomik untuk hampir 5.000 penyakit genetik langka. Ketika proyek genom dimulai, hanya ada beberapa lusin penyakit yang kami pahami penyebab mutasi penyakit itu. Itu perbedaan besar. Kita sekarang tahu banyak, ratusan dan ratusan wilayah genom manusia yang mengandung varian — kita belum tahu varian mana — yang memberikan risiko penyakit genetik yang lebih rumit, seperti hipertensi dan diabetes dan asma, penyakit kardiovaskular, dan sebagainya. .
Kami telah beralih dari kurangnya pengetahuan tentang ke mana harus mencari dalam genom untuk varian tersebut menjadi sekarang memiliki daerah yang sangat berbeda untuk mencari. Jadi ini adalah penekanan besar sekarang dalam genomik, mencoba memahami varian mana yang relevan dengan penyakit dan apa yang harus dilakukan tentang mereka.
