BIOMEDICINA

Gordana Tomljenović

Četvrt veka od dešifrovanja ljudskog genoma

Monumentalno delo otvorene nauke

Mapiranje humane DNK - biomedicinsko naučno i civilizacijsko dostignuće koje se poredi sa sletanjem čoveka na Mesec u astronomiji - otvorilo je put razvoju precizne/personalizovane medicine i još mnogim velikim naučnim koracima: brzom otkrivanju gena i genskih mutacija koji izazivaju karcinome, razvoju inovativnih genskih terapija za retke bolesti, praćenju i brzom dekodiranja patogena (u pandemijama), očuvanju ugroženih biljnih i životinjskih vrsta, novom razumevanju porekla i evolucije ljudske vrste…

Da li će možda već u narednoj deceniji individualni sekvencirani genom (DNK) biti standardni deo zdravstvenog kartona svakog pojedinca? Ovo predviđanje nedavno je u jednom intervjuu izneo prof. dr Frensis Kolins, vođa međunarodnog naučnog tima na Projektu ljudski genom, HGP (Human Genom Project), verovatno najambicioznijem i najvećem naučnom projektu u ljudskoj istoriji, koji je čovečanstvo uveo u sasvim novo naučno doba - u genomsku eru. Projekt je realizovan u protekle tri i po decenije, te je tokom 2025. godine mnogim manifestacijama širom sveta obeleženo 35 godina od kako je HGP pokrenut, odnosno četvrt veka od kako je, zahvaljujući tom istorijskom naučnom poduhvatu, objavljen prvi dekodirani prikaz ljudskog genoma.
Kao dostignuće koje mnogi porede sa sletanjem čoveka na Mesec, HGP je  otvorio put razvoju precizne medicine i daljim velikim koracima u nauci, poput identifikovanja genskih mutacija koje izazivaju različite bolesti (uključujući i maligne tumore), dizajniranja novih inovativnih lekova (među kojima je i personalizovana genska terapija), razumevanja na koji način geni kontrolišu razvoj čoveka, pa i boljeg razumevanja porekla i evolucije ljudske vrste. Štaviše, iako je mapiranje humanog genoma već uveliko počelo da daje neverovatne nove rezultate u medicini i drugim granama nauke, naučnici su gotovo jednoglasni u oceni da naučno mišljenje tek počinje da evoluira u skladu sa izuzetnim potencijalima genomike.

Put ka dešifrovanju genoma

Koncept genske mutacije - promene u genetskom kodu unutar DNK - bio je poznat već početkom 20. veka, zahvaljujući američkom genetičaru i nobelovcu Hermanu Džozefu Mileru. Štaviše, ovaj naučnik je još otkrio da mogućnost takve promene nije ograničena samo na proces formiranja spermatozoida/jajne ćelije već da se može desiti i tokom života, pod uticajem životne sredine. Između ostalog, Miler je proučavao i biološke efekte jonizujućeg zračenja, i 1926. godine je eksperimentalno dokazao da rendgenski zraci mogu da oštete pojedinačne gene.
Kad su, krajem Drugog svetskog rata, bačene atomske bombe na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki, već se znalo da će kod onih koji su preživeli taj napad i posledično delovanje visoke radioaktivnosti svakako biti štetnih genskih mutacija. U odgovoru na ova tragična ratna dešavanja iz polovine pedesetih godina, i na sudbine stotine hiljada preživelih mladih Japanaca koji su zbog toga strahovali da začnu potomstvo, Komisija za atomsku energiju SAD pri tamošnjem Ministarstvu energetike, DOE (Department of Energy), osnovala je Komisiju za žrtve atomskih bombi, koja je 1947. godine dobila zadatak da proceni genetske mutacije kod preživelih. Na žalost, naučnici nisu imali na raspolaganju odgovarajuće alate za identifikaciju i merenje tih mutacija, a kamoli za preciznu procenu njihove uloge u različitim bolestima. Iako su Votson i Krik već 1953. otkrili dvostruko-spiralni strukturni lanac molekula DNK (dezoksiribonukelinske kiseline) i time postavili osnovu za razumevanje kako se genetske informacije čuvaju i repliciraju, proći će još pola veka pre no što će nauka dekodirati humani DNK.
Jedan od ključnih narednih koraka na tom putu je bio razvoj metode prekidanja lanca koju je osmislio i 1977. godine obelodanio britanski biohemičar i kasnije dvostruki nobelovac Frederik Sanger, kao i razvoj metode polimerazne lančane reakcije (PCR - Polymerase Chain Reaction) koju su 1985. osmislili američki biohemičar Keri B. Malis i njegov tim; PCR omogućava uvećavanje izuzetno malih uzoraka DNK - čak i milijardama puta - i time obezbeđuje dovoljne količine materijala za proučavanja i analize u molekularnoj biologiji.

Planiranje HGP započeto je krajem 1984. godine, kada je Ministarstvo energetike SAD - već pomenuti rani zagovornik istraživanja efekata mutacija izazvanih zračenjem - u saradnji sa drugim kosponzorima organizovalo „Samit u Alti“ na kome se razgovaralo o ulozi novih DNK tehnologija. I druge radionice i konferencije sredinom devete decenije 20. veka istraživale su izvodljivost projekta, između ostalih i jedna konferencija o izvodljivosti izgradnje sistematskog referentnog genoma korišćenjem tehnologija sekvenciranja gena, održana u maju 1985. na Univerzitetu Kalifornije, u Santa Kruzu. Prva konferencija o sekvenciranju ljudskog genoma održana je 1989. godine na farmi “Volf Trap” nadomak Vašingtona, a tri godine kasnije, 1988, poseban komitet Nacionalne akademije nauka SAD izložio je i zadatke Projekta. Američka vlada obezbedila je većinu sredstava neophodnih za finansiranje tog veoma ambicioznog projekta - na nivou biomedicinskog ekvivalenta “Apolo” svemirskog programa, tvrdi se - i to preko Nacionalnih instituta za zdravlje (NIH) i Ministarstva energetike, uz veliki doprinos britanskog Wellcome Trust-a i podršku vlada Japana, Francuske, Nemačke i Kine.  
Cilj HGP bio je da se do 2005. godine u potpunosti „dešifruje“ ljudski genom (sa tri milijarde takozvanih baznih parova, koji čine gradivne blokove DNK), ali da se sekvenciraju i genomi još nekoliko pažljivo odabranih organizama: bakterije E. koli, pekarskog kvasca, voćne mušice, nematode i miša. Sangerova metoda sekvenciranja DNK odabrana je za osnovnu metodu sekvenciranja u HGP, ali je ona u tu svrhu tokom vremena značajno unapređivana kroz niz velikih tehničkih inovacija.

Podstaknut od američkog Ministarstva energetike i Nacionalnog istraživačkog saveta, i sa američkim molekularnim biologom i genetičarem, nobelovcem Džejmsom Votsonom na čelu, Projekt sekvenciranja ljudskog genoma pokrenut je 1990. godine, kao dobro organizovan međunarodni poduhvat sproveden od „Međunarodnog konzorcijuma za sekvenciranje ljudskog genoma (The International Human Genome Sequencing Consortium). Konzorcijum je činilo na hiljade naučnika i istraživača iz više od dvadeset univerziteta i istraživačkih centara širom SAD, Ujedinjenog Kraljevstva, Francuske, Nemačke, Japana i Kine, a njegov rad je definisala ne samo međunarodna saradnja već i princip brze razmene i slobodnog objavljivanja podataka. U SAD, istraživače je finansiralo Ministarstvo energetike i Nacionalni institut za zdravlje, koji su 1988. godine osnovali Kancelariju za istraživanje ljudskog genoma; danas je to američki Nacionalni institut za istraživanje ljudskog genoma (NHGRI - National Human Genome Research Institute), deo Nacionalnih instituta za zdravlje (NIH - National Institutes of Health). Uzgred, vođa projekta Džejms Votson, naučnik koji je sa britanskim fizičarem Frensisom Krikom 1953. otkrio strukturu DNK, već 1992. godine je podneo ostavku na mesto direktora HGP, žestoko se protiveći namerama nekih komercijalnih organizacija da patentiraju sekvence ljudskih gena. Na čelu Projekta u NHGRI zamenio ga je američki kolega Fransis Kolins, američki stručnjak za humanu genetiku, koji je jednako kao i Votson bio odlučan da se odupre komercijalizaciji, odnosno da, ako i kad projekt bude realizovan, odmah publikuje sve podatke o sekvencama DNA u javne baze podataka, na uvid i korišćenje globalnoj naučnoj zajednici.
Tokom prve decenije rada na HGP bilo je kolebanja i debatovanja na temu da li treba sekvencirati samo neke, „najznačajnije delove“ DNK, za koje se pretpostavljalo da ih je oko dva do pet odsto, što zbog ogromne cene Projekta (uz argument da je taj novac bolje upotrebiti na druge oblasti istraživanja ili na zdravstvenu zaštitu), što zbog nerazumevanja ili antagonizma prema „visokoj nauci“. Bilo je, naravno, i drugačijih naučnih glasova koji su upozoravali da je licitiranje oko procentaulno udela „naučno interesantnog“ dela genoma krajnje površna pretpostavka, to jest da će, u evolucionom smislu, kompletan genom i poznavanje varijabilnosti među genomima pojedinaca sigurno baciti novo svetlo (u fiziologiji) na podložnosti bolestima, kao i na pitanja ljudskog porekla. Posebno je vođa Projekta, prof. Votson (čiji je genom sekvenciran drugi po redu), tvrdio da humani DNK ne može da se razume ukoliko se ne sekvencira u celini.

Kompletiranje genoma

Deset godina od pokretanja HGP, u junu 2000. godine, američki predsednik Bil Klinton i britanski premijer Toni Bler istovremeno su obelodanili da su naučnici konačno došli do „radnog nacrta“ ljudskog genoma. Par nedelja kasnije, početkom jula, mali istraživački tim Univerziteta Kalifornije u Santa Kruzu je, u ime HGP, na svojoj mreži (online) objavio taj „nacrt“: svet je po prvi prvi put upoznao ljudski genom u obliku koda (od tri milijarde slova). I, više ništa nije bilo isto. Iako je rad na dekodiranju kompletnog genoma nastavljen tokom još gotovo tri godine, kao i u narednih dve decenije, već ovi prvi rezultati HGP zauvek su promenili način na koji je nauka dotad razumevala biologiju, medicinu i evoluciju ljudske vrste.
U naučnim časopisima Nature i Science sekvencirani humani genom predstavljen je početkom 2001. godine, dok je u aprilu 2003, dve godine pre planiranog roka, završen „suštinski kompletan“ projekt. I tad je, naime, u pojedinim regionima DNK teškim za dekodiranje, ostalo nesekvencirano još oko osam odsto genoma. Mapiranje tih nedostajućih  delova moralo je da bude ostavljeno za neko buduće vreme u kome bi nove metode mogle da dovrše taj posao, a koje će, kako će se ispostaviti, biti dvostruko duže od vremena koje je bilo potrebno za mapiranje prvih 92 odsto genoma.
Neki delovi ljudske DNK sastoje se od dugih, ponavljajućih nizova slova, koji u to vreme nisu mogli da budu postavljeni na pravo mesto, sve dok istraživači i inženjeri nisu u narednih 20 godina razvili nove tehnologije za čitanje dužih delova DNK - od samo oko 500 slova, početkom veka, do više od 100.000 slova odjednom, dve decenije kasnije - što im je omogućilo da najteža ponavljanja sastave u punoj dužini.
S obzirom na to da je težak posao sekvenciranje genoma, čak i sa novim tehnologijama, oduzimao mnogo vremena i zahtevao mnogo veštine i posvećenosti, dovršen je zahvaljujući novim generacijama istraživača koji su se vremenom uključivali u HGP. To se posebno odnosi na Konzorcijum „Telomera-do-Telomere“ (T2T), koji su sa NIH suosnovali i predvodili naučnici Univerziteta Kalifornije u Santa Kruzu, i koji je 1. aprila 2022. objavio prvu gotovo stopostotno kompletnu i veoma preciznu genomsku mapu 23 para ljudskih hromozoma. Nedostajući Y hromozom, zastupljen isključivo u polnom hromozomskom paru muške ljudske jedinke, dovršen je ubrzo, u avgustu 2023, što je konačno pružilo i genetski uvid u razvoj muškaraca i potencijalne zdravstvene probleme koji se javljaju tokom njihovog života.

„Otkriće“ RNK

Objavljivanje prvog nacrta ljudskog genoma, pre 25 godina, transformisalo je prirodne nauke na mnogo načina: pored genetskog mapiranja, donelo je još uzbudljivih otkrića, kao na primer to da genom nije statičan, ili da čovek poseduju „samo“ oko 25.000 gena, što je daleko manje nego što se ranije procenjivalo. Takođe, utvrđeno je da značajno manji broj gena (od očekivanog) kodira proteine, odnosno da je veliki deo genoma posvećen proizvodnji molekula RNK (ribonukleinske kiseline), koja zapravo nije deo genoma (osim kod pojedinih virusa), ali ima vitalne uloge u prenosu genetičke poruke iz DNK do ribozoma (koji sintetišu proteine), u regulisanju ekspresije gena, kao i u drugim ključnim ćelijskim procesima….   
Sa neprestanim deljenjem, diferencijacijom i starenjem ćelija, akumuliraju se i nastaju  epigenetske modifikacije i somatske mutacije gena. Genom nije statičan već se neprestano menja tokom života i starenja jedinke (somatske mutacije), i kroz nove mutacije, to jest značajnije promene koje mogu da nastaju u svakoj novoj generaciji; svaka nova generacija obično ima novi skup genetskih varijacija, uključujući i nove jednonukleotidne polimorfizme (SNP - Single Nucleotide Polymorphism) koji čine one male razlike među individualnim ljudskim jedinkama, a prenose se sa roditelja na decu. Razumevanje dinamične prirode genoma je još u ranim fazama ali već igra vrlo značajnu ulogu u oblastima kao što su dijagnostika raka (uvid u mutacije koje uzrokuju maligne bolesti), razvoj genskih terapija i personalizovana medicina.

Projekt mapiranja ljudskog genoma otkrio je da samo relativno mali deo genoma kodira proteine (daje uputstva za sintezu određenih proteina), a da je većina uključena u proizvodnju različitih vrsta RNK molekula. Otkriće da zapravo RNK igra ključnu ulogu prenosnika uputstava za stvaranje proteina podstaklo je i usmerilo istraživanja u biološkim naukama ka proučavanju funkcija RNK, i ukazalo na činjenicu da je od ključnog značaja razumevanje i DNK i RNK. Zahvaljujući HGP, sekvenciranje RNK je postalo alat za razumevanje koji su geni aktivni u različitim ćelijama i različitim uslovima, to jest istraživači sad proučavaju RNK zajedno sa nalazima HGP kako bi stekli potpunu sliku o tome na koji način su geni regulisani, i na koji način funkcionišu.
Inspirisani Projektom humanog genoma, nakon 2003. su razvijeni i drugi (pod)projekti sa ciljem da se dalje proširuju znanja o genomu. Među njima su “Atlas genoma raka” (The Cancer Genome Atlas) i “Projekt anatomije genoma raka” (CGAP - Cancer Genome Anatomy Project), kojima je cilj da definišu gene uzročnike malignih bolesti, da eventualno spreče njihov razvoj, odnosno da pomognu razvoj terapija protiv raka. “Atlas genoma raka”, veliki zajednički projekt američkog Nacionalnog instituta za rak (NCI) i Nacionalnog instituta za istraživanje ljudskog genoma (NHGRI) do 2018. je katalogizovao genomske promene u malignitetima, analizom više od 20.000 uzoraka primarnog karcinoma i normalnog tkiva u čak 33 vrste raka, generišući ogromne količine javno dostupnih podataka koji su doveli do boljeg razumevanja biologije raka i do otkrića novih terapijskih mogućnosti. Slično tome, cilj CGAP, do 2024. realizovan pod okriljem NCI, bio je da se odrede profili ekspresije gena normalnih, prekanceroznih i ćelija raka, što treba da dovede do poboljšanja u otkrivanju, dijagnostikovanju i lečenju maligniteta.
Pored pomenutih projekata i istraživanja u oblasti primene genomike u kliničkoj onkologiji, pokazane dobrobiti monumentalnog HGP samo su vrh ledenog brega i nesumnjivo je da će nastaviti da oblikuju i buduće naučno razumevanje genetike i konkretne medicinske prakse. Pored razvoja personalizovane medicine, sa već pomenutim posebnim fokusom na onkologiju, u primeni su i prenatalna genetska testiranja koja mogu da otkriju genetske anomalije kao što su Daunov, Edvardsov ili Patau sindrom, kao i druge hromozomopatije i hromozomske mikrodelecije. U primeni su i genske, DNK i RNK terapije. Takozvano editovanje gena, to jest CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) uređivanje gena, otvorilo je vrata potencijalnom lečenju bolesti na nivou DNK, i već ima takvih terapija (zasnovanih na CRISPR-u) odobrenih od američke Uprave za hranu i lekove (FDA), kao što je genska terapija za bolest srpastih ćelija. Početkom 2025. godine, kod jednog novorođenčeta u SAD sa povišenim amonijakom u krvi, retkom bolešću (deficita CPS1) po prvi put je primenjena i potpuno personalizovana genska terapija.

Sve brža genomika, i proteomika

Projekt mapiranja ljudskog genoma promovisao je otvorenu nauku i podstakao je pojavu novih naučnih oblasti, kao što su već pomenuta genomika, i proteomika.
Genomika proučava kompletne genome živih organizama i, za razliku od genetike, ne fokusira se na pojedinačne gene, već pomaže istraživačima da razumeju kako geni sveukupno međusobno deluju i kako sa okolinom (epigenetika) izazivaju ili dovode do ispoljavanja različitih bolesti. Genomika je transformisala mnoge oblasti ljudskog (naučnog) rada, poput neuronauka, poljoprivrede, ekologije... Danas, uz pomoć veštačke inteligencije i mašinskog učenja, njen uticaj se ubrzava - u stanju je da spasava ne samo ljudske živote već i kompletne biljne i životinjske vrste, očuvanjem genetske raznolikosti ugroženih predstavnika flore i faune.
Brzina koju primena genomike uvodi u medicinu nije bila zamisliva samo pre deset godina, a kamoli na početku Projekta ljudskog genoma, i tokom proteklih decenija, koliko je bilo potrebno za sekvenciranje prvog ljudskog genoma. Danas, stručnjaci Univerziteta Kalifornije u Santa Kruzu, kao i njihovi kolege sa Univerziteta Stanford (koji u tome drže zvaničan svetski rekord), humani genom sekvenciraju prosečno za oko osam sati; najbrža takva procedura obavljena je za pet sati i dva minuta.
Ova brzina na zaista revolucionaran način transformiše brigu o pacijentima sa retkim bolestima i agresivnim karcinomima, omogućavajući postavljanje dijagnoze za samo nekoliko dana. A kad je o „običnim“ zaraznim bolestima reč, poput nedavne Covid pandemije, mogućnost korišćenja genomike za sekvenciranje genoma infektivnih patogena (poput SARS-CoV-2 virusa, na primer) već se uzima zdravo za gotovo. Jer, da nije bilo toga, tokom pandemije izazvane vrlo nestabilnim novim korona virusom koji je često mutirao, ne bi bilo moguće da se prate sve njegove varijante niti da se „u hodu“ redizajniraju i primenjuju buster vakcine…

Proteomika proučava proteom - celokupni skup proteina koje u datom trenutku proizvodi neki organizam, organski sistem ili pojedinačna ćelija. Reč je o naučnoj oblasti koja se bavi proteinima, njihovom strukturom, funkcijama, modifikacijama i interakcijama unutar bioloških sistema. Njena znanja su ključna za otkrivanje biomarkera bolesti i identifikaciju potencijalnih meta određenih lekova, to jest identifikovanje proteina (ključnih za progresiju neke bolesti) na koje bi neki novi lek mogao da cilja.
Još jedno veliko dostignuće Projekta ljudskog genoma jeste ubrzanje razvoja inovativnih tehnologija za korišćenje sekvenciranih podataka. Na primer, varijante broja kopija, kao i jednonukleotidni polimorfizmi (SNPs) danas se analiziraju i koriste za razvoj genetskih testova koji ranije nisu bili dostupni. Još jedna takođe nova tehnologija, analiza biomikročipova, koristi ljudski genom za ispitivanje velikog broja malih segmenata DNK koji, ako mutiraju, mogu da izazovu bolest.

Open science ili profit?

Nezaobilazan deo ove istorijske naučne priče jeste i priča o trci između akademije i industrije, trci kompanije koja je želela da „zarobi“ (patentira) naučne podatke i da ih naplaćuje i univerzitetskih naučnih timova koji su se borili da se ovo monumentalno naučno dostignuće otvori za sve naučnike bez razlike. Kad su američki NIH i Ministarstvo energetike 1990. godine objavili pokretanje Projeka ljudski genom - sa rokom završetka od 15 godina i cenom od tri milijarde dolara - u naučnoj zajednici u SAD je bilo glasova koji su to smatrali rasipanjem novca na istraživanje velikih delova genoma koji su prema njihovoj oceni „biološki bezvredni“… Do kraja decenije se, međutim, ispostavilo da najveća pretnja Projektu nije protivljenje neistomišljenika već kompanije koja je na njemu htela da profitira.

Krajem 1990-ih, bivši član javnog HGP pokrenuo je privatnu istraživačku kompaniju, Celera Genomics, i nagovestio je da će svim silama nastojati da dekodiranje genoma završi pre javnog međunarodnog konzorcijuma. Strahujući da bi zaista moglo da dođe do takvog ishoda - kao i u slučaju gena BRCA 1 i BRCA 2 (kod raka dojke), koji se utvrđuju testovima patentiranim od kompanije Myriad Genomics i veoma su skupi - naučnici uključeni u međunarodni projekt započeli su trku sa privatnom kompanijom. U trenutku kad je izgledalo da je Celera Genomics bliže „pobedi“, dvojica istraživača sa Kalifornijskog univerziteta u Santa Kruzu, prof. Dejvid Hausler i IT inženjer Džim Kent, okreću se učvršćivanju slabe karike u istraživačkom lancu HGP, dizajniranjem novih kompjuterskih algoritama za sastavljanje sekvenci genoma. Zahvaljujući tome, situacija se za samo mesec dana u potpunosti menja, i 7. jula 2000. godine univerzitetski naučni tim ima tu čast da online objavi prvu mapu ljudskog genoma na uvid globalnoj naučnoj zajednici.
Kalifornijski univerzitet je ubrzo potom pokrenuo i svoj prvi Pretraživač genoma Univerziteta Kalifornije u Santa Kruzu (UCSC Genome Browser), kako bi podstakao globalnu razmenu podataka o genima, odnosno omogućio naučnicima širom sveta da istražuju gene, genske mutacije i njihove implikacije na ljudsko zdravlje; UCSC Genome Browser i danas je jedna od najvažnijih platformi u genomici.
Po uspešnom okončanju ključne faze Projekta ljudskog genoma, na UCSC  je osnovan Institut za genomiku (UC Santa Cruz Genomics Institute) u kome su prof. Hausler i Džim Kent sa svojim timom još dugo bili čelnici brojnih velikih genomskih projekata, pri čemu je njihov Institut bio centar za podatke i koordinaciju nacionalnih i globalnih inicijativa za unapređenje ove oblasti. Kalifornijski Institut za genomiku je u prethodne dve decenije razvio niz primena genomike za poboljšanje ljudskog zdravlja, uključujući kliničke testove za uzročnike raka kod dece, u UCSC Koligan kliničkoj laboratoriji (na UC Santa Cruz Colligan Clinical Diagnostic Laboratory), platformu za praćenje patogena koju koriste državne i savezne agencije javnog zdravlja za praćenje širenja bolesti, kao i kompletnije i brže metode sekvenciranja genoma, za  identifikovanje retkih bolesti čije je dijagnostikovanje ranije trajalo godinama.

Gordana Tomljenović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"