Genomul uman. Misterul se adânceşte?

Cu cât învăţăm mai mult despre secretele genomului uman, cu atât mai puţin părem să ştim despre ceea ce reprezintă ADN-ul de fapt. Dar există unele indicii. Proiectul DECODE (Enciclopedia elementelor din ADN) a oferit concluzii interesante.

"În cazul afecţiunilor cardiace există o probabilitate de 99% de a deceda de tânăr. Speranţa de viaţă în acest caz este de 30,2 ani."

La naştere, momentul şi cauza morţii lui Vincent erau deja cunoscute. Genele sale "inferioare" sugerau faptul că cel mai bun loc de muncă la care putea spera era cel de om de serviciu, nici vorbă să poată să îşi realizeze ambiţia de a deveni un astronaut.

Astfel începe filmul "Gattaca", a cărui acţiune este plasată în viitor, într-o perioadă în care se considera că posibilităţile unei persoane erau determinate de genele acesteia. Filmul "Gattaca" a fost lansat în 1997 în mijlocul perioadei în care s-a desfăşurat Proiectului Genomului Uman, iar subiectul acestui film reflecta ceea ce mulţi credeau la acea vreme şi anume că vom fi în curând în măsură să prezicem tot felul de lucruri despre oameni bazându-ne pe genele lor. "Exista această convingere că am putea răspunde unor întrebări extrem de numeroase doar prin studierea genelor şi a variantelor genetice", afirmă geneticianul Tim Spector de Kings College din Londra care a fost implicat în proiect.

Cu toate acestea, astăzi această perspectivă pare mai irealizabilă decât oricând. După ce genomul a fost descifrat, a fost lansat un alt proiect important menit să ne ajute să înţelegem care este rolul fiecărei părticele din genom. Rezultatele care au fost dezvăluite la începutul lunii septembrie indică faptul că genomul nostru este mult mai complex şi mai misterios decât şi-au imaginat biologii cu doar un deceniu în urmă.

În anii 1960 a apărut o imagine simplă, frumoasă. ADN-ul nostru era compus din reţete pentru proteine. Helixul dublu a putut fi dezarhivat pentru a permite acestor copii de ARN din aceste reţete să fie făcute şi trimise spre fabrici de proteine, în celule. Dar prin anii 1970 a devenit clar faptul că doar un procent mic din ADN-ul nostru codează proteine, procent de doar 1,2%, după cum ştim în prezent. Dar restul ADN-ului ce rol are? Unii au presupus că trebuie să aibă un rol, alţii au sugerat că cea mai mare parte a sa este de tip "junk". "Cel puţin 90% din ADN-ul nostru genomic este de tip"junk" sau alcătuit din "resturi" de diverse feluri", a scris în 1972 geneticianul Susumu Ohno.

Cu toate acestea, Ohno ştia însă că o parte din ADN-ul care nu coda proteine juca un rol vital. De exemplu, procesul de a face copii ARN ale genelor, proces care poartă denumirea de transcripţie, implică legarea unor grupuri de proteine la secvenţe specifice în apropiere de gene. Aceste proteine, numite factori de transcripţie, controlează activitatea genelor fie prin stimularea, fie prin blocarea transcripţiei, astfel încât secvenţele la care se leagă sunt cunoscute ca ADN de reglare sau "comutator".

Deci întrebarea este cât de mult ADN acţionează ca un comutator. Cât are o altă funcţie? Pentru a oferi o imagine de ansamblu a rolului fiecărei părţi a genomului a fost demarat în 2003 Proiectul Enciclopedia Elementelor de ADN (ENCODE). În proiect s-au implicat mai multe echipe din întreaga lume, folosind o varietate de tehnici. Rezultatele unui studiu pilot care a analizat doar 1% din genom au fost dezvăluite în anul 2007. La începutul lunii septembrie au fost dezvăluite rezultatele studiului întregului genom, care au fost publicate în mai mult de 30 de lucrări publicate în revista "Nature", dar şi în alte reviste.

Printre alte lucruri proiectul ENCODE a încercat să dezvăluie comutatoare care controlează activitatea genelor. Cercetătorii au realizat acest lucru prin luarea în considerare a factorilor de transcripţie cunoscuţi şi prin observarea proteinelor de care se leagă aceste părţi de ADN. Până în prezent au fost descoperite 4 milioane de astfel de locaţii, care ocupă 8,5% din genom, un procent mai mare decât se aştepta oricine.

Chiar şi acest procent probabil reprezintă o subestimare a numărului adevărat, pentru că ENCODE nu a analizat încă fiecare tip de celulă sau fiecare factor de transcripţie cunoscut. "Dacă extrapolăm este mai degrabă vorba despre 18 sau 19%", afirmă Ewan Birney de la European Bioinformatics Institute din Cambridge, Marea Britanie care coordonează analizele datelor pentru ENCODE. "Descoperim comutatoare mult mai multe decât ne aşteptam şi aproape fiecare parte a genomului este aproape de a fi un comutator."

Însă şi acesta este un lucru incert. Aceste rezultate nu arată dacă aceste comutatoare au în realitate o funcţie biochimică importantă. Multe dintre ele ar fi putut juca un rol în trecut de exemplu, dar acum sunt "deconectate".

Cealaltă surpriză importantă este că aceste regiuni reglatoare sunt dispersate de-a lungul genomului, multe fiind situate în mijlocul unor distanţe lungi care au fost considerate porţiuni neutilizate aflate între gene. Mai mult de 95% din genom poate fi poziţionat între 10000 de perechi esenţiale ale unui comutator. "Acest lucru înseamnă că aproape întreg genomul posedă un rol substanţial sau dacă îl modificăm este posibil să aibă impact asupra a ceva, undeva", afirmă Birney.

De asemenea, modul în care funcţionează aceste comutatoare se dovedeşte a fi mult mai complicat decât s-a crezut iniţial. Un studiu ENCODE a constatat faptul că un comutator specific interacţionează cu multe gene. Chiar mai mult, cele mai multe gene sunt influenţate de numeroase comutatoare  în acelaşi timp. "Aproape fiecare genă pe care o analizăm interacţionează din punct de vedere fizic cu alte piese ale ADN-ului şi  niciodată nu este vorba doar despre un loc. Tind să fie implicate cinci, opt, zece astfel de locuri şi fiecare la rândul său are ataşate ARN, proteine şi histone", afirmă Iov Dekker un membru al echipei de la Universitatea din Massachusetts Medical School din Worcester.

Acest lucru ar putea veni în ajutorul  celor care încearcă să găsească o explicaţie pentru unul dintre cele mai mari puzzle-uri ale biologiei: "misterul eredităţii lipsă". Noi ştim că o componentă genetică este implicată  atunci când vine vorba despre trăsături cum ar fi înălţimea sau boli precum diabetul, dar variantele genetice descoperite până în prezent explică de obicei doar un procent mic din această ereditate.

Moştenirea care lipseşte

Această ipoteză a susţinut faptul că variantele genetice acţionează separat astfel încât efectele lor sunt aditive: presupunând că posedăm o variantă care creşte riscul de a dezvolta o boală cardiacă cu 5% şi o alta care creşte acest risc cu 10%, riscul general este de 15%. Însă cele constatate de Dekker sugerează faptul că efectele unor variante se pot multiplica: aceste variante pot avea un efect minor atunci când acţionează individual, dar au  un efect mult mai mare în cazul în care o persoană are de asemenea şi alte anumite variante.

"Sunt ferm convins că o mare parte din moştenirea lipsă se datorează unor interacţiuni complexe care au loc între gene multiple, multiple variante non-codante şi factori de mediu multiplii", afirmă Jason Moore de la  Geisel School of  Medicine at Dartmouth din Hanovra, New Hampshire. "Motivul pentru care am pierdut o bună parte din ereditatea pentru bolile complexe ar putea fi pentru că am ignorat complexitatea interacţiunilor care ştim că  există în biologie."

Deci până la 20% din genom poate fi alcătuit din comutatoare cu rol în reglare care sunt active sau nu. Ce se întâmplă cu restul genomului? ENCODE a încercat să abordeze acest lucru prin cartografierea proporţiei genomului implicat într-un anumit tip de eveniment biochimic, fapt care ar putea sugera care este proporţia de genom utilizată în fiecare zi. Rezultatele sugerează că până la 80% din genom este activ,  o mare parte din acesta fiind transcris în ARN.

Acest ARN nu transportă codurile pentru producerea de proteine, astfel încât întrebarea care necesită răspuns este care anume ar fi rolul acestui ARN? Știm că există o multitudine de diferite tipuri de ARN funcţional, dintre care multe sunt implicate în reglarea activităţii genice, de exemplu microARN. Chiar mai mult, unele porţiuni de ARN non-codant se dovedesc a avea alte funcţii la care nu ne-am aşteptat.

"Ele pot acţiona ca şoferi de taxi care transportă proteine în jurul genomului, dar pot de asemenea acţiona asemeni unui pod între diverse părţi ale genomului", afirmă Kevin Morris a Scripps Research Institute din La Jolla, California. Cu toate acestea, alte porţiuni de ARN acţionează pe post de capcană, reducând producţia de proteine prin absorbirea ARN-ului de codare.

Dar până în prezent întreaga cantitate de ARN cu funcţie cunoscută însumată nu se apropie de 80% din genom. O explicaţie o reprezintă faptul că cele mai multe transcrieri ale ARN sunt fără valoare, fiind doar "zgomot" generat de excesul de zel al enzimelor care nu ştiu când să oprească transcripţia ADN-ului în ARN. Este ca şi cum am aduce la noi acasă o pisică care să ucidă şoareci şi să nu fim capabili să o oprim din uciderea păsărilor aflate în cartier.

"Transcripţia ADN-ului non-codant nu indică în mod automat funcţia", afirmă Ryan Gregory de la Universitatea din Guelph din Ontario, Canada, care studiază evoluţia genomului. "Nu cred că ENCODE va dovedi că majoritatea de 98% a ADN-ului non codant din genomul uman are funcţie de reglare. Ar fi uimitor dacă ar fi necesar atât de mult pentru a regla doar 20.000 de gene".

Doar o mână de biologi, dintre care cel mai vocal este Ioan Mattick de la Universitatea Queensland din Brisbane, Australia consideră că se va  dovedi faptul că cea mai mare parte a ARN-ului are un rol important. "Actualmente depinde de susţinătorii teoriei zgomotului să explice de ce o parte atât de semnificativă a genomului prezintă marca unor semne de activitate funcţională", afirmă Mattick.

Însă a avea o funcţie nu este acelaşi lucru cu a avea o funcţie utilă şi există motive întemeiate să credem că cea mai mare parte a ADN-ului nostru nu joacă un rol vital. Pentru început, încă din momentul concepţiei, cu toţii avem zeci de noi mutaţii. Cei mai mulţi dintre noi au una până la cinci mutaţii care afectează negativ funcţia genei în proteinele care codează doar ADN-ul, afirmă Joseph Nadeau de la Institute for Systems Biology in Seattle, Washington.

Dacă cea mai mare parte a ADN-ul nostru ar fi vital, populaţiile ar achiziţiona mutaţii dăunătoare mai repede decât le-ar pierde prin moartea embrionilor şi prin naşterea unor copii cu o mulţime de mutaţii semnificative. "Dacă fracţiunea genomului care este funcţională creşte, atunci întrebarea este: cum putem tolera acest lucru? De ce nu cedăm de mai multe ori?" se întreabă Nadeau.

O modalitate de a înţelege importanţa unei anumite părţi de ADN este să urmărim dacă aceasta poate acumula mutaţii fără consecinţe sau dacă aceasta rămâne neschimbată în cadrul unei populaţii pentru că selecţia naturală înlătură orice indivizi cu mutaţii. "Ceva de genul şapte din zece modificări ale nucleotidelor din secvenţe de codificare (proteine)  sunt eliminate pentru că sunt vătămătoare, dar nouă din zece schimbări produse în secvenţe necodate nu sunt eliminate", afirmă Chris Ponting, de la Universitatea din Oxford. "Aceste date ne oferă câteva indicii despre importanţa schimbărilor produse în ADN-ul codant versus cele produse în ADN-ul non codant."

Birney este de acord, în ciuda faptului că afirmă că studiul ENCODE a analizat ARN transcris specific pentru primate şi a constatat că o parte din acesta pare a se afla sub presiune selectivă la om.

O altă modalitate de a evalua importanţa unei anumite porţiuni de ADN este să o ştergem pentru a vedea ce se întâmplă. Acest lucru în mod  evident nu poate fi realizat la oameni, dar la şoareci porţiuni imense de ADN non-codant care păreau să fie funcţionale au fost şterse fără ca acest lucru să aibă un efect evident. Pe de altă parte, este posibil să ştergeţi mai multe gene care codează proteine aparţinând unor microorganisme cum ar fi drojdia de asemenea, fără niciun efect evident.

O explicaţie este faptul că, în condiţii optime de laborator, organismele se pot descurca fără ADN, un aspect care este esenţial pentru supravieţuire în medii mai dificile. Un alt aspect este faptul că genomul este alcătuit dintr-o mulţime de zone redundante. Deşi v-aţi aştepta ca mutaţiile să îndepărteze aceste excese, pot exista anumite situaţii în care acestea pot fi menţinute.

Un al treilea motiv care să ne determine să credem că ADN-ul nostru nu este vital este faptul că, deşi există diferenţe enorme între dimensiunea genomului la diverse specii, există o corelaţie neînsemnată între complexitatea animalului şi mărimea genomului lor. Nu există nici un argument evident care să explice de ce peştele marmorat cu plămâni are nevoie de aproximativ 40 de ori mai mult ADN decât noi şi aproape de 400 de ori mai mult decât peştele broască verde, de exemplu.

Pentru că pot

Gregory a constatat că unele tipuri de animale, cum ar fi amfibienii care metamorfozează, ale căror celule trebuie să se dividă cu rapiditate câteodată au gene mai mici comparativ cu alte animale. Acest lucru sugerează faptul că organismele au tendinţa de a acumula ADN până când ajung la dimensiuni defavorabile, în mod asemănător cu tendinţa oamenilor care locuiesc într-o casă mare şi care tind să umple mansarda cu diverse lucruri inutile, în timp ce persoanele care locuiesc în case mici trebuie să arunce în permanenţă din lucruri.

Aşa că am rămas cu un mister care încă rămâne să fie dezvăluit. Chiar dacă mai multe dovezi sugerează faptul că cea mai mare parte a ADN-ului nostru este departe de a fi esenţială, studiul ENCODE sugerează că majoritatea regiunilor din genomul nostru au o funcţie biochimică. Unul dintre răspunsuri ar putea fi acela că cele mai multe dintre aceste regiuni nu posedă o funcţie care să aibă consecinţe importante. "Cu toate acestea pot avea anumite efecte. Ele pot schimba anatomia facială a unei persoane", afirmă Ponting. "Ele pot avea efecte extrem de minore care să nu fie influenţate de evoluţie."

Birney este de părere că unele din aceste regiuni contează totuşi din punct de vedere funcţional. "Nu deţinem încă un răspuns definitiv legat de procentul de genom care este important din punct de vedere funcţional, dar am descoperit lucruri mult mai multe care ar putea fi mai importante decât oricine ar fi putut suspecta vreodată", afirmă el. "Oamenii susţin adesea că ar fi vorba despre regiunile care codează proteine plus un pic mai mult. Nu e un pic mai mult, este vorba despre mult mai mult".

Atunci când a început proiectul ENCODE, Birney însuşi a fost, de asemenea, extrem de sceptic cu privire la rolul pe care îl joacă ARN-ul care nu codează proteine în funcţionarea genomului. El chiar a pariat pe o ladă de şampanie cu Mattick Vintage că mai puţin de 20% din ARN-ul non-codant se va dovedi a fi de folos. "Cu siguranţă că şansele de a pierde acest pariu versus cele de a-l câştiga sunt mai mari", afirmă el.

Cu toate acestea, s-ar putea să fie nevoie de o perioadă mai lungă până când unul dintre ei să obţină şampania. Să descoperi care dintre milioanele de regiuni ENCODE sunt funcţionale şi importante este o sarcină imensă şi acest lucru ar putea dura mai multe decenii. În cele din urmă, singura modalitate de a demonstra că o anumită regiune este vitală este de a demonstra că variantele genetice din această regiune au un anumit efect asupra oamenilor, lucru care este departe de a fi uşor de realizat. Cu toate acestea, în unele cazuri există deja dovezi: poziţiile variantelor genetice semnificative identificate cu ajutorul studiilor care analizează asocierile dintre variante genetice şi boli coincid adesea cu regiunile din ENCODE. "De cele mai multe ori avem ceva care fie se localizează cu precizie în partea de sus a acestor regiuni identificate cu ajutorul acestor studii, fie se află în imediata apropiere a acestora", afirmă Birney.

Acest lucru ne oferă deja indicii legate de cauzele bolilor. De exemplu, unele variante genetice asociate cu boala Crohn se regăsesc în comutatoare pe care ENCODE  le-a dovedit ca fiind active în celule ale sistemului imunitar numite celule T-helper.

Se pare însă că pe măsură ce aflăm mai multe lucruri despre genom, de fapt ştim tot mai puţin despre el. "Genomul nostru ştie cum să creeze un om, dar cred că ar fi prea mult să credem că această carte de bucate ar fi simplă şi că ar prevedea totul", afirmă Birney. "Suntem unul dintre cele mai complicate lucruri pe care le cunoaştem şi, într-adevăr, în acest caz lucrurile par foarte complicate."

Cu siguranţă mai avem un drum lung de urmat până la înţelegerea completă a genomului, fenomen portretizat în "Gattaca". De fapt este posibil să nu putem realiza acest lucru niciodată. "S-ar putea la fel de bine să fie prea complex", afirmă Moore.

O parte din această complexitate provine din variatele moduri în care genomul nostru interacţionează cu mediul înconjurător. "Cred că ADN-ul va avea un rol mai important în predicţie, dar reversul acestei cercetări este înţelegerea modului în care o mare parte din trăsăturile complexe se datorează efectelor datorate interacţiunii cu mediul înconjurător sau voinţei proprii, lucruri pe care le putem schimba", afirmă Birney. "ADN-ul nu este destin."

Într-o anumită măsură, chiar şi cei care au scris "Gattaca" au fost de acord (atenţie, urmează o dezvăluire din film). În ciuda problemelor sale de natură genetică, Vincent a refuzat să-şi accepte soarta genetică şi în cele din urmă şi-a realizat obiectivul de a se desprinde de Pământ.

 

Sursa:scientia.ro