Tolka genomet

De 12 prototyperna ser ut som prefabricerade barnfort – lådor i storleken av frysar, inredda med knallröd plast och grupperade i två och tre på ett betonggolv hos Pacific Biosciences, en startup i Menlo Park, Kalifornien. Men maskinernas enkla exteriör motsäger komplexiteten inuti. Varje låda innehåller ett litet chip packat med tusentals DNA-strängar från bakterier eller virus, varje sträng i en brunn i nanostorlek. Ett enzym som har fastnat i botten av varje brunn bygger snabbt en motsvarande sträng, binder ihop baserna, eller kemiska subenheter av DNA, som parar sig ordentligt med originalets. Var och en av de fyra typerna av baser, representerade av bokstäverna A, T, C och G, är märkta med en annan fluorescerande markör, som aktiveras av reaktionen som fäster en ny bas till strängen. Eftersom maskinen spårar reaktionerna när de inträffar, kan den ta ut mängder av rådata om sekvenserna av DNA-proverna lika snabbt som en inbyggd kamera kan spela in dem.

Supersnabb sekvensering: Prototypmaskiner hos Pacific Biosciences testas med bakteriellt DNA.

En datorskärm installerad bredvid varje maskin visar en ögonblicksbild av den åtgärd som äger rum. En serie ljus sprids över skärmen, spricker och bleknar i snabb följd. Varje blixt varar bara tiotals millisekunder, men dess färg indikerar vilken av de fyra baserna som just har lagts till en DNA-sträng, och dess position indikerar var. Videon måste saktas ner för visning: blixtarna kommer för snabbt för det mänskliga ögat att bearbeta. Datoralgoritmer omvandlar mönstret av blixtar till DNA-sekvenser som är hundratals till tusentals baser långa. Ytterligare algoritmer jämför sedan miljontals av dessa DNA-sträckor, identifierar sekvenser som överlappar i deras ändar och passar ihop bitarna för att fånga ett komplett genom.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

När det gäller sekvensering av DNA är tid pengar, och Pacific Biosciences kommersiella maskiner, som kommer ut 2010, kan visa sig vara de snabbaste som någonsin tillverkats. Det tog Human Genome Project ungefär 300 miljoner dollar och 13 år att räkna ut sekvensen för de tre miljarder DNA-baspar i ett sammansatt mänskligt genom, en uppgift som slutfördes 2003. I oktober 2008 var forskare som använde en mängd nya typer av maskiner. säger att de kunde sekvensera ett individuellt genom för mindre än $100 000; ett företag lovar ett genom på 5 000 dollar till nästa vår. Och Pacific Biosciences förutspår att 2013 kommer dess maskiner att kunna sekvensera en persons genom på 15 minuter, för mindre än 1 000 dollar.

Hittills har forskare sekvenserat genomen från en handfull människor, och det har gett dem en allmän känsla av mänsklig variation. Men snabb, billig sekvenseringsteknik kan göra det praktiskt att läsa genomet från tusentals, kanske miljoner, människor. Genom att kamma igenom dessa otaliga genom och koppla specifika DNA-sekvenser till olika egenskaper – handenhet, längd, blodtryck och mottaglighet för ångest, för att nämna några – borde forskare kunna reda ut det komplexa samspelet av genetiska varianter som gör varje individ unik. Viktigast, den typen av sekvenseringskapacitet kan äntligen avslöja den ärftliga grunden för vanliga sjukdomar – en gåta som har retat genetiker i årtionden.

Reporterns anteckningsbok : Emily Singer

Den faktiska effekten på medicinen är dock mycket mindre säker och kan vara mycket mindre positiv. I nästan två decennier har forskare lovat att framsteg inom sekvenseringsteknik kommer att göra det möjligt för läkare att utöva personlig medicin, riktade behandlingar till patienter utifrån deras genetiska profiler. Antagandet var att ett begränsat antal vanliga genetiska varianter skulle visa sig ligga bakom en viss sjukdom och läkare skulle kunna skriva ut läkemedel efter vilka varianter deras patienter bar. Men de senaste uppgifterna tyder på att även de vanligaste ärftliga sjukdomarna, som diabetes och hjärtsjukdomar, är kopplade till många olika varianter, var och en relativt sällsynt. Om det är sant, kan det bli mycket komplicerat att utöva personlig medicin – och mycket dyrt. Det skulle inte vara bra att ha ett genom på 5 000 dollar och en analys på 500 000 dollar, säger Francis Collins, tidigare chef för National Human Genome Research Institute och ledare för Human Genome Project.

Bortom vanliga varianter
Genomisk medicin började på allvar på 1980-talet, när forskare identifierade gener kopplade till sjukdomar som Duchennes muskeldystrofi och cystisk fibros. Båda är så kallade Mendelska sjukdomar, vilket betyder att de orsakas av mutationer i en enda gen; alla som ärver antingen en eller två kopior av den muterade genen, beroende på sjukdomen, kommer att drabbas. Under de senaste 20 åren har forskare identifierat gener för ett antal mendelska sjukdomar, och screeningtester baserade på dessa upptäckter har lett till tidigare diagnoser. När det gäller störningar som bara utvecklas när en person ärver två kopior av mutationen, kan testerna identifiera friska bärare, vilket hjälper dem att fatta bättre informerade beslut om att skaffa barn. En-gensjukdomar utgör dock en mycket liten andel av mänskliga sjukdomar. För de flesta sjukdomar är det mycket svårare att peka ut de genetiska bovarna.

När forskare började sammanställa ett grovt utkast till genomsekvensen i slutet av 1990-talet, upptäckte de ett användbart fenomen. Stora DNA-block, kända som haplotypblock, tenderade att föras vidare intakta genom generationer. Olika versioner av dessa block, som var kopplade till en individs förfäders ursprung, hade karakteristiska mönster av vanliga genetiska variationer kända som singelnukleotidpolymorfismer (SNP), där den genetiska sekvensen varierar med bara en DNA-bokstav. Således kan en kontrollant SNP fungera som en markör för dess omgivande DNA. Upptäckten var en välsignelse för genetiker - om varje block tenderade att förekomma i ett begränsat antal varianter inom den mänskliga befolkningen, skulle det vara onödigt att kontrollera varje bas i genomet för variationer kopplade till vanliga sjukdomar som astma eller schizofreni. Närvaron av en viss SNP skulle indikera vilket haplotypblock en individ bar.

Forskare utvecklade genetiska mikromatriser som snabbt kunde upptäcka närvaron av dessa vanliga SNP:er i genomet; genom att skanna efter de tydliga variationerna, en relativt billig process, har mikromatriserna möjliggjort de största genomiska studierna hittills. Forskare har använt dem för att effektivt söka i tiotusentals mänskliga genom efter SNP som är vanligare hos personer med autism eller Alzheimers, till exempel, än hos friska människor. Under de senaste två åren har en mängd studier publicerats som identifierar mer än 300 genetiska variationer kopplade till en rad vanliga egenskaper och sjukdomar.

Men att hitta dessa variationer har inte lett till det genombrott som vissa forskare hade hoppats på för att förstå den genetiska grunden för vanliga sjukdomar. Det beror på att de visar sig stå för bara en liten del av den genetiska risken för många sjukdomar. Forskare har identifierat 18 gener kopplade till typ 2-diabetes, till exempel, och tester för att identifiera variationerna har införts. Ändå förblir många andra ärftliga riskfaktorer för sjukdomen oidentifierade. Det betyder att de nya testerna ger en ofullständig bild av hur sannolikt någon är att utveckla diabetes, vilket gör det svårt att använda dem för att skräddarsy medicinska beslut. Det finns mycket liten anledning att uppmuntras att förebyggande strategier kan revolutioneras med vad vi har upptäckt hittills [på den genetiska grunden för vanliga sjukdomar], säger David Goldstein, chef för Center for Population Genomics and Pharmacogeneticsat Duke University i Durham, NC.

Jakten på SNP är vettig om den ärftliga risken för sjukdomar som typ 2-diabetes beror på en kombination av många vanliga genetiska variationer, som var och en utövar en liten effekt. Men tänk om det bara är en del av historien? Tänk om andra, mer sällsynta typer av genetiska mutationer också spelar en roll? Eftersom mikroarrayer designades för att upptäcka vanliga SNP: er missar de variationer som förekommer hos mindre än 1 procent av befolkningen. Dessa mutationer är i fokus för en alternativ hypotes, där – som i den Mendelska modellen – individuella variationer med hög inverkan bidrar kraftigt till en sjukdom. Vilken som helst av variationerna kan förekomma sällan, enligt detta tänkande, men om de påverkar samma eller relaterade biokemiska vägar kan de ge liknande resultat. Tillsammans kan de göra en störning relativt vanlig.

Fram till nyligen hade endast begränsade ansträngningar gjorts för att söka efter sällsynta varianter kopplade till vanliga sjukdomar. Denna sökning kan innebära att sålla igenom varje bokstav i DNA - något som bara kan göras genom sekvensering. Med den gamla tekniken var det för dyrt för att vara praktiskt. Men med tanke på de nedslående resultaten från mikroarraystudier, vänder sig forskare till den snabba nya sekvenseringstekniken för att noggrant testa hypotesen med sällsynta varianter. Det är troligt att mycket av resten av ärftligheten [av sjukdomen] gömmer sig i sällsynta varianter med hög effekt, säger Collins. Om vi ​​verkligen vill förstå sjukdomsgenomiken behöver vi fullständiga genomsekvenser.

Det är fortfarande oklart hur mycket sällsynta variationer bidrar till sjukdomen, men bevis börjar trilla in. I en studie som publicerades i somras sekvenserade biologer vid University of California, Berkeley, genen för ett enzym som heter MTHFR, som omvandlar B-vitaminet folat (folsyra) från en form till en annan. Forskare hade tidigare identifierat en vanlig genetisk variant som producerar en försvagad version av enzymet, vilket ökar risken för fosterskador och möjligen hjärtsjukdomar. Genom att sekvensera MTHFR-genen i 564 personer av olika etnicitet, hittade Nick Marini och kollegor fyra nya varianter som också försämrar enzymets funktion; närvarande i färre än 1 procent av försökspersonerna, skulle dessa varianter ha varit omöjliga att upptäcka i mikroarraystudier.

Det personliga genomet
Vid en nyligen genomförd konferens på det ärevördiga Cold Spring Harbor Laboratory på Long Island, satt James Watson, medupptäckare av DNA:s struktur, nedsänkt på första raden av auditoriet under ett stort porträtt av sig själv. Watson, som under en tid ledde Human Genome Project, fick sitt genom sekvenserat 2007. Hans genom var bara det andra individuella genomet som kartlades fullständigt. (Craig Venter, som ledde det privata försöket att sekvensera genomet, använde sitt eget DNA som provet.)

Watson är inte känd för att sitta igenom successiva konferenspresentationer. Men en stor del av den här konferensen handlade om honom. Han deltog i tal efter tal, när forskare presenterade sina analyser av det som har blivit kärleksfullt känt som Project Jim. Watson är en till synes frisk 80-årig man, och resultaten av att granska hans genom har hittills varit ganska vardagliga. Han har extra kopior av genetiska variationer som visats i tidigare studier för att skydda mot till exempel hjärtsjukdomar och makuladegeneration. En initialt oroande mutation i BRCA1 genen, som är kopplad till bröstcancer, visade sig vara ofarlig. Men den stora majoriteten av Watsons arvsmassa förblir otolkbar. Forskare har ännu inte hittat en genetisk komponent till hans intelligens eller hans nyfikenhet eller hans tendens till politiskt inkorrekta utbrott. Det kanske viktigaste för Watson är att det ännu inte är klart om han har en genetisk sårbarhet för schizofreni som han skickade vidare till sin son, som har sjukdomen.

Human Genome Projects referenssekvens, som är en sammansättning av genetisk information från mer än 20 individer, gav forskarna en grundläggande ritning av genomet. Men ett enda genom har sina gränser. Det är bara genom att jämföra flera genom som forskare kan börja få grepp om den genetiska variationen som ligger bakom sårbarheten för sjukdomar eller galenskap, tendensen till atletisk skicklighet eller matematiskt geni, driften mot altruism eller aggression.

Till och med Watson, som har tillbringat sin karriär med att försöka förstå DNA, verkar mindre än imponerad av att se detaljerna i hans genom presenterade. Vi får se om något av det lägger till fem minuter till min livslängd, sa han på konferensen. Faktum är att innebörden av de flesta av hans genetiska egenheter kommer att förbli ett mysterium tills många fler människor ansluter sig till honom för att få sina genom sekvenserade.

PGP 10: De första 10 frivilliga i Personal Genome Project får för närvarande de kodande regionerna i sina genom sekvenserade; en liten bit av sekvensen visas för dem vars data läggs ut online. Sekvensdata kommer att lagras i en offentlig databas, tillsammans med volontärernas medicinska journaler och annan information, såsom deras ansiktsmorfologi (mätt med pannbanden). Forskare kommer att använda databasen, som så småningom förväntas omfatta 100 000 personer, för att söka efter kopplingar mellan gener och sjukdomar eller andra egenskaper.

Genetikern George Church från Harvard Medical School, som har arbetat med sekvenseringsteknologi sedan sin doktorsexamen vid Harvard i början av 1980-talet, syftar till att påskynda den processen. För tre år sedan lanserade kyrkan Personal Genome Project (PGP), som syftar till att samla in genetisk och medicinsk data från tusentals människor under de kommande fem åren. Projektet indikerar inte bara de tekniska och vetenskapliga utmaningar som storskalig sekvensering av mänskliga genom kan innebära, utan även de etiska frågorna.

I pilotfasen kommer projektet att fokusera på 10 volontärer, inklusive Church, Harvard-psykologen Steven Pinker och entreprenören Esther Dyson. Till att börja med kommer det att sekvensera de kodande regionerna i deras genom - den 1 procent av DNA som styr produktionen av proteiner. Den informationen, tillsammans med deltagarnas medicinska historia (inklusive receptbelagda behandlingar) och information om deras längd, vikt, handenhet och andra egenskaper, kommer att deponeras i en offentlig databas. Kyrkans team hoppas att denna databas kommer att fungera som en resurs för forskare, eller till och med medlemmar av allmänheten, som vill söka efter kopplingar mellan specifika genetiska variationer och sjukdomar eller andra egenskaper.

Den första uppsättningen data – som släpptes till deltagarna i oktober – antyder både löftet om sekvensering och de nuvarande begränsningarna för genetisk analys. John Halamka, CIO vid Harvard Medical School och ytterligare en av de 10 ursprungliga volontärerna, fick veta att han bär på en mutation för Charcot Marie-Tooths sjukdom, en ärftlig neurologisk sjukdom. Denna sällsynta variation skulle inte ha hittats med befintliga SNP-matriser. Men eftersom Halamka överlevde barndomen oskadd, och endast tre andra människor i världen har visat sig bära på just den mutationen, är det svårt att veta vilken inverkan, om någon, den har haft på hans hälsa. Kanske bär många på variationen utan negativ effekt, och sambandet mellan sjukdomen och mutationen har överskattats. Eller så kanske genen har en bredare inverkan än förväntat, vilket ökar risken för andra neurologiska sjukdomar. (Eller, som George Church noterar, upptäckten kan helt enkelt vara ett fel.)

Ju fler poster i databasen, desto lättare blir det att förstå ett fynd som Halamkas. Och i april 2008 fick kyrkans team godkännande från Harvard att utöka projektet från 10 till 100 000 deltagare. (Kyrkan planerar att långsamt skala upp och multiplicera antalet försökspersoner med 10 varje år.) Denna nästa fas kommer att på allvar testa både tekniken som används för att sekvensera genomen och de strategier som används för att tolka de resulterande uppgifterna. Från och med november, ungefär ett år in i projektet, hade PGP-forskare bara kommit ungefär en femtedel av vägen genom att sekvensera de kodande regionerna i de ursprungliga volontärernas genom. (Kyrkan planerar att utöka PGP till hela genomet när sekvenseringen blir tillräckligt billig.) Om de ska sekvensera tusentals fler genom, kommer sekvenseringstekniken att behöva bli så snabb och robust som kyrkan tror att den kan vara.

För mycket information
Att använda data från PGP kommer att ställa till problem i sig. Först måste Church och hans team ta reda på det bästa sättet att ge den större gruppen volontärer deras resultat. De första 10 fick en-mot-en genetisk rådgivning från Joseph Thakuria, projektets medicinska chef och en klinisk genetiker vid Harvard Medical School. Men Thakuria kommer inte att kunna ge råd till de tusentals nya försökspersonerna. Med tanke på bristen på genetiker och genetiska rådgivare med lämplig utbildning, är det nästan säkert att det problemet kommer att återspeglas mycket bredare när personlig genomik blir mer tillgänglig.

Men den största utmaningen i nästa fas av mänsklig genomik är sannolikt att tolka innebörden av den till synes oändliga mängd variationer som kommer att avslöjas. Individuella genetiska förändringar inträffar av en slump, och vissa är ofarliga. Andra råkar vara farliga, stör någon viktig cellulär process och ökar risken för sjukdomar. Och vissa kan till och med vara fördelaktiga – att till exempel förbättra nedbrytningen av gifter och därmed skydda mot vissa åkommor. Men det är ofta omöjligt att avgöra vilken klass en variant faller i bara genom att titta på den. Och eftersom ny teknik gör det möjligt för forskare att sekvensera genomet från ett stort antal människor, kommer listan över kända varianter snabbt att växa. Den här informationen kommer att bli svår och problematisk när det gäller tolkning, säger James Evans, professor i genetik och medicin vid University of North Carolina i Chapel Hill. Vi har alla mutationer och förändringar som vi helt enkelt inte förstår. Som vanligt kommer tekniken att ligga före vår förmåga att använda den.

Komplexiteten i den nya genomiska informationen kan också vara ett hinder för den personliga medicin som gensekvensering var tänkt att inleda. Forskare har hoppats kunna skapa tester som förutsäger en individs risk för en specifik sjukdom eller avslöjar vilket läkemedel som sannolikt kommer att fungera bäst för honom eller henne. Men genetiska tester som upptäcker nyupptäckta variationer kommer inte att vara särskilt användbara förrän forskare kan ta reda på vad dessa variationer betyder. Och om många vanliga sjukdomar orsakas av sällsynta varianter blir uppgiften enorm. Att förstå risker baserade på sällsynta varianter kommer att ta oss år, säger Dietrich Stephan, grundare och chief science officer för Navigenics, en startup för personlig genomik.

Vissa forskare tror att det verkliga värdet av genomik kanske inte ligger i personlig medicin alls. Där det verkligen kommer att löna sig, säger de, kommer att vara att fördjupa vår förståelse av sjukdomar och hjälpa forskare att upptäcka nya mål för läkemedel. Det primära värdet av genetisk kartläggning är inte riskförutsägelse, utan att ge nya insikter om sjukdomsmekanismer, skrev David Altshuler, en läkare och genetiker vid Broad Institute i Cambridge, MA, i en nyligen publicerad artikel publicerad i tidskriften Science. Faktum är att, påpekar Altshuler, att identifiera även sällsynta genetiska förändringar kan sluta hjälpa ett stort antal patienter. Till exempel ledde studier av en ärftlig form av högt kolesterol som finns hos mindre än 0,2 procent av befolkningen till upptäckten av LDL-receptorn (low-density lipoprotein), som hjälper till att avlägsna överskott av kolesterol från blodomloppet. Det ledde i sin tur till utvecklingen av blockbuster-läkemedlen som kallas statiner, kolesterolsänkande mediciner som utlöser en ökning av antalet LDL-receptorer på ytorna av leverceller.

Ingen vet när nästa storfilm kommer. Att göra förutsägelser om fördelarna med genomik har blivit lika otacksamt som att försöka förutsäga sjukdomsrisken i sig. Och ju lättare det blir att sekvensera ett genom, desto svårare blir det att förstå komplexiteten som sekvenserna avslöjar. Som Collins uttrycker det, var The Human Genome Project kanske ett enkelt åtagande jämfört med vad vi står inför härnäst.

Emily Singer är Teknikgranskning senior biomedicinsk redaktör.

Dölj