Ledarhundar

Den idealiska boxerhunden är stark, fyrkantigt byggd, slät. Uppfödare prisar den för dess mejslade huvud. Huvudets skönhet beror på den harmoniska proportionen mellan nosparti och skalle, läs American Kennel Clubs standarder för rasen. Den trubbiga nosen är en tredjedel av huvudets längd från nackknölen till nässpetsen och två tredjedelar av skallens bredd. Intelligent och alert, en boxare förmedlar grace med varje rörelse.

Strukturen på genomet som ligger bakom boxarens graciösa byggnad är också underbar, säger Kerstin Lindblad-Toh, molekylärbiologen som ledde försöket att sekvensera hundens genom. Som meddirektör för programmet i genomsekvensering och analys vid Broad Institute for genomic medicine har Lindblad-Toh också övervakat projekt som involverar musen och opossumen, så hon är väl kvalificerad att bedöma boxarens genomiska skönhet. Källan till den skönheten är en relativ brist på genetisk mångfald, resultatet av hundra år av hårt kontrollerad avel för egenskaper som harmoniskt proportionerade skallar. Den genetiska homogeniteten inom hundraser, och snäva skillnader mellan dem, gör att hundens arvsmassa har värdefulla ledtrådar om orsakerna till vanliga sjukdomar hos både hundar och människor.

Hundens genom är cirka 2,4 miljarder baser långt, men Lindblad-Tohs grupp kunde sekvensera det på bara sex månader. Broad Institute, som drivs gemensamt av MIT och Harvard University, är ett genetiskt kraftpaket som kan sekvensera 60 miljarder baser (bokstäverna i det genomiska alfabetet) med 99 procents noggrannhet varje år - motsvarande flera Human Genome Projects. Den har en större sekvenseringskapacitet än nästan någon annan offentlig eller akademisk anläggning i världen.

Idag är mycket av den kapaciteten allokerad till Broads däggdjursgenomprojekt. The Broad är ett av tre forskningscentra som finansieras av National Institutes of Health i ett stort försök att få upp antalet däggdjur vars genom har sekvenserats till cirka 30 inom de närmaste åren. (De andra två centra finns vid Baylor College of Medicine i Houston och Washington University School of Medicine i St. Louis.) Lindblad-Toh övervakar sekvenserings- och analysprojekt för mer än 20 djur på Broad, och tillhandahåller resurser för forskare som förlita sig på djurmodeller när man studerar mänskliga sjukdomar. Hennes teams ansträngningar kommer att kasta mer ljus över hur vårt eget genom regleras och fylla i luckor i vår förståelse av människans evolutionära historia. I slutändan kan detta arbete hjälpa till att svara på några övertygande frågor: Vad gör ett däggdjur till ett däggdjur, en primat till en primat – och vad gör oss till människor?

Multimedia

• Se bilder på Broad Institute och deras arbete.

Onaturligt urval
2002, när hundforskare frågade Lindblad-Toh om sekvensering av djurets arvsmassa, tänkte hon: Oj, oj, det här måste vara den idealiska modellen. Människostyrd avel har producerat rynkiga shar-peis, mohawked Rhodesian ridgebacks och smala borzois med vackra linjer. Men när man berikar för specifika önskvärda egenskaper fångar man ofta tyvärr sjukdomsdrag med dem, säger Lindblad-Toh. Tillsammans med sina särdrag har varje ras distinkta genetiska sårbarheter: utvecklingsdefekter, hjärtsjukdomar, höftproblem, cancer. Hundar lider av många av samma sjukdomar som människor, så forskare kan använda deras genom för att identifiera genetiska orsaker till sjukdomarna hos båda arterna.

Lindblad-Toh och hennes medarbetare vid National Human Genome Research Institute (en del av NIH) var först tvungna att bestämma vilken ras som skulle sekvenseras. Människor har dramatiskt minskat den genetiska mångfalden hos vissa hundar genom att t.ex. föda upp enbart bulldoggar med de flesta bowlegged och boxers med fyrkantiga käkar. Att sekvensera en ras med liten genetisk mångfald är lättare, eftersom de två kopiorna av varje kromosom – en från mamman, en från pappan – liknar varandra. Så när en preliminär analys antydde att boxare är bland de minst genetiskt olika av alla hundraser, hade forskarna sitt ämne.

Även när den genetiska mångfalden är begränsad, är att utarbeta ett genom som att lägga ett mycket stort, mycket svårt pussel vars bitar är utspridda över hela huset – inklämda mellan soffkuddar eller under en burk senap på baksidan av kylen. Först måste forskarna lokalisera och identifiera alla delar; sedan står de inför den formidabla sysslan att lägga pusslet. Lindblad-Toh och hennes medarbetare ägnade sex månader åt att sekvensera segment av en kvinnlig boxares genom och tre eller fyra gånger så lång tid på att sätta ihop dem och analysera dem. De publicerade hundgenomet, tillsammans med en omfattande analys som jämförde det med musens och mänskliga arvsmassan, i tidskriften Natur i december 2005.

Lindblad-Toh och hennes team jämförde också boxergenomet med den befintliga undersökningssekvensen av pudelgenomet och delsekvenser av nio andra hundrasers genom som de hade förberett för ändamålet. Som de förväntade sig, även om varje ras har sina egna distinkta egenskaper och mutationer, är alla raser fortfarande väldigt lika varandra. (De inhemska raserna har inte funnits tillräckligt länge för att mycket mångfald ska smyga sig in.) Dessa likheter inom och mellan hundraser borde göra sjukdomsrelaterade mutationer lättare att upptäcka. Forskare vid Broad och på andra håll upptäcker för närvarande sjukdomsgener hos hundar med hjälp av American Kennel Club/Canine Health Foundation och Morris Animal Foundation. Forskarna går på hundutställningar för att samla in blodprover och stamtavlor, eller så får de prover av veterinärer. Med hjälp av DNA-mikroarrayer letar de sedan efter genetiska skillnader mellan friska hundar och de med sjukdomar.

Lindblad-Toh säger att hon och andra breda forskare har identifierat cirka 10 gener för enkla egenskaper som pälsfärg och komplexa sjukdomar som cancer; de undersöker också gener förknippade med kardiomyopati och diabetes. Naturligtvis, när man hittar en hundsjukdomsgen tittar man direkt på personer med samma sjukdom, säger hon. Hundar och människor är ganska nära släkt och delar versioner av de flesta av samma gener.

Det är dock mycket lättare att upptäcka sjukdomsmutationer hos hundar. Två slumpmässiga rottweilers är mycket närmare släkt än två slumpmässiga människor. Om de två rottweilerna båda utvecklar skelettcancer, vilket är vanligt i deras ras, kommer sjukdomen troligen att orsakas av flera mutationer som bärs av båda hundarna. Men två människor med skelettcancer är mindre benägna att ha sjukdomsframkallande mutationer gemensamma. För cancerstudierna har vi haft cirka 50 till 100 sjuka hundar, säger Lindblad-Toh. Du skulle behöva ett mycket större urval av människor – tusentals patienter och friska människor – för att se liknande mönster. Att förstå vilka mutationer som orsakar en sjukdom hos hundar hjälper forskare att ta reda på var man ska leta efter sjukdomsorsakande mutationer hos människor.

Nästan två år efter publiceringen av hundgenomet börjar dess löfte som ett verktyg för att studera mänskliga sjukdomar att slås fast. Lindblad-Toh säger att hennes grupp hoppas kunna identifiera mutationer som är involverade i osteosarkom, en sällsynt men dödlig cancersjukdom i tonåren. Det kommer att bli väldigt spännande under det kommande året att se om att tillämpa [insikter från att studera hundgenmutationer] tillbaka på mänskliga patienter med samma sjukdomar också kommer att visa dig mutationer i samma gener, säger hon. Min förutsägelse är ja. Jag tror att om du kan hitta starka riskfaktorer hos människor genom att använda hundar, skulle det vara en stor fördel.

Bortom gener
När vi analyserade musens och mänskliga arvsmassan fann vi att de är 5 procent funktionella, säger Lindblad-Toh. Det vill säga, 5 procent av varje varelse genom är mycket lik 5 procent av den andras, vilket tyder på att de relaterade sekvenserna måste tjäna något syfte. Hundens genom visade sig ha samma 5 procent som överlappar hos människor och möss, vilket bekräftar att det inte bara är en slump. De flesta av dessa 5 procent är dock inte gener.

Vårt genom består av 46 kromosomer, som är distinkta, långa kedjor av organiska föreningar kända som A, T, C och G – DNA-bokstäverna. Att sekvensera genomet innebär att ta reda på vilken bokstav eller bas som finns vid varje punkt längs varje kedja. Gener är sträckor där baserna stavar ut en kod som kan översättas till proteiner; de utgör 1,5 procent av arvsmassan. Men häpnadsväckande 95 procent av vårt genom är mutationsbenägen gobbledygook, den genetiska motsvarigheten till de meningar du kan göra genom att dunka huvudet i ett tangentbord i frustration.

Nu försöker biologer karakterisera de funktionella delarna av genomet som inte är gener – regioner som de tror spelar en viktig roll för att reglera gener. De vill identifiera dessa regioner och ta reda på vilka element de innehåller, hur regionerna är organiserade och hur de fungerar.

Det bästa sättet att hitta de reglerande elementen mitt i gobbledygook är att titta på vad som är bevarat – det som förblir detsamma – över flera arter. Att jämföra genom är nästan som Rosetta-stenen, säger Lindblad-Toh. Med samma budskap inristat i det grekiska alfabetet, hieroglyfer och demotiska skrifter (en sorts kursiva hieroglyfer), gjorde Rosetta-stenen det möjligt att tyda de två sista skriftsystemen. I genom har du på samma sätt en rad bokstäver; allt som är viktigt förblir detsamma.

Det mesta av arvsmassan är bara döda utrymmen mellan gener, där sekvensen av baser inte är viktig för livets funktioner. Mutationer som uppstår i sådana sträckor producerar ibland funktionella sekvenser, men de är vanligtvis varken hjälpsamma eller skadliga. Det betyder att de ackumuleras relativt snabbt: de utövar inget inflytande på en individs chanser att fortplanta sig, de är inte föremål för naturligt urval, så de överförs i mycket högre takt än förändringar i funktionella områden, som ofta är skadliga.

Ju mer evolutionär tid det är mellan två däggdjursarter, desto mer kommer oviktiga saker att förändras, säger Lindblad-Toh. Men en DNA-sträng vars sekvens bevaras oförändrad över arter har förmodligen en viktig funktion. När forskare har identifierat dessa sekvenser i områdena mellan gener, kan de testa dem individuellt för att bestämma deras funktioner.

Att jämföra det mänskliga genomet med det hos en avlägset besläktad organism som jäst är dock svårt: för att utöka Rosetta-stenens metafor, bär de två texterna för många olika budskap. Att jämföra genom som bär många av samma budskap, som människans och hundens, är mer produktivt. För att verkligen förstå det mänskliga genomet fokuserar vi på däggdjur, säger Lindblad-Toh. Breda forskare, av vilka några deltog i Human Genome Project innan institutet grundades 2003, har varit involverade i sekvensering av bland annat schimpansen, musen, hunden och hästen (se The Broad’s Menagerie, s. M17) . Arbetet med marsvinet, elefanten, kaninen, den lilla bruna fladdermusen, buskbebisen och markekorren pågår också på Broad.

Forskare retade till en början de funktionella 5 procenten av det mänskliga genomet genom att jämföra det med endast ett annat djur, musen. Att lägga till hundgenomet skapade en kraftfull triad. Nu fokuserar forskare på vad de funktionella icke-genelementen gör. Bevisen växer för att de reglerar genomet. Utan reglerande element skulle en gen vara som en oläst bok som samlar damm i hörnet av ett biblioteksförråd: bara en inert sträng av bokstäver.

Att veta vad varje gen gör är mycket viktigt, men det räcker inte. Vissa sjukdomar beror helt klart på att ett protein inte finns där, säger Lindblad-Toh; enzymbrister är ett exempel. Men med vanliga sjukdomar som cancer eller diabetes kan det bara vara en funktion av hur mycket eller hur lite protein du gör, och om du gör det vid rätt tidpunkt eller inte. Det verkar troligt att dessa faktorer styrs av reglerande element.

Min starka övertygelse är att många vanliga sjukdomar orsakas av regulatoriska mutationer, säger Lindblad-Toh. Tidig Broad Institute-forskning om hundgenomet verkar stödja hennes hypotes. Breda forskare letar efter mutationer associerade med flera egenskaper och sjukdomar, inklusive vit pälsfärg, sköldkörtelproblem, skelettcancer, hjärtproblem och shar-pei-feber. För flera av dessa finns det preliminära bevis för att de ansvariga mutationerna ligger utanför gener – i regulatoriska element.

Att nollställa var dessa element finns i genomet är mycket lättare än att ta reda på vad de gör och hur. En typ av regulator, som kallas en förstärkare, startar processen som gör det möjligt för gener att skicka vidare sin information. Förstärkare kan vara inom, nära eller mycket långt från de gener som de reglerar. Forskare antar att proteiner binder till en förstärkare och till ett område omedelbart före en gen; de binder också till varandra, drar DNA:t runt i en slinga och låter transkriptionen av genen börja. Men sådana mekanismer har precis börjat förstås.

Vad gör oss till däggdjur
Att jämföra hundgenomet med musens och mänskliga arvsmassan hjälpte forskarna att identifiera en mängd regulatoriska element; ytterligare analys visade att i alla tre däggdjuren är hälften av dessa element samlade kring endast cirka 240 gener. Med andra ord, en jättestor 50 procent av våra mest bevarade grundämnen verkar reglera inte mycket mer än 1 procent av våra gener.

Så vad gör dessa gener för att förtjäna en sådan speciell behandling? Det visar sig att de spelar avgörande roller under utvecklingen. De styr vår kroppsplan, den biologiska motsvarigheten till en ritning. Genom att diktera konfigurationen av våra ryggar, strukturen på våra hjärnor och positionen för våra motsatta tummar, gör de oss till ryggradsdjur, däggdjur, primater.

Det är så klart ytterst viktigt att du producerar en fot där foten går och inte på huvudet ibland av en slump, säger Lindblad-Toh. Vad vi tror att vi har hittat är att runt dessa 200 eller så gener sitter en stor del av dessa regulatoriska element. De är i grunden huvudregulatorerna för mastergener som gör däggdjur till däggdjur. Vissa av dessa klustrade regulatoriska element är så viktiga att de är bättre bevarade mellan arter än gener är.

En analys av opossumgenomet som publicerades av Broad i maj förra maj stöder ytterligare Lindblad-Tohs hypotes att det finns däggdjursmästarregulatorer. Opossums finns på en annan gren av däggdjurssläktträdet: de är pungdjur, medan människor, hundar och möss är eutherian-däggdjur med moderkakor. För varje genom som vi lägger till bygger vi vidare på hypotesen att de funktionella 5 procenten från människans, musen och hundens genom är däggdjurs- och eutherian-specifika, säger Lindblad-Toh. När vi tittar på opossum och andra stora grenar på ryggradsdjursträdet ser vi att det finns innovation som har lagts till. Det vill säga, opossums delar inte hela de 5 procent som placenta däggdjur gör. Mycket av variationen i de reglerande elementen hos pungdjur är kring kroppsplanens gener. Dessa variationer kan vara det som gör opossums pungdjur, och det som inte varierar kan vara en viktig del av vad som utgör däggdjur.

Lindblad-Toh säger att det är för tidigt att fråga sig vad som gör en primat till en primat, eller vad som gör människor till människor. Det verkar dock troligt att utvecklingen i neurala banor regleras av primatspecifika gener. Varje ordning, varje djurart har förmodligen sina egna innovationer, kontrollerade av masterregulatorer i icke-genområden i genomet.

Just nu, säger Lindblad-Toh, försöker hon och andra Broad-forskare bara att sammanställa en grundläggande katalog över dessa masterregulatorer. När fler arter har sekvenserats kommer det att vara möjligt att börja svara på de större frågorna. När denna menageri av genom fortsätter att växa, visar sig hundar – länge människans bästa vänner på fältet och på gården – vara värdefulla följeslagare även i labbet.

Dölj