DNA - Ľudský genóm

Medicínske využite výsledkov projektu ľudského genómu a nová éra preventívnej medicíny
doc. MUDr. Oliver Rácz
Nový rok 2000 a potom začiatok nového milénia 1. januára 2001 prišli bez veľkých zmien. Žiadne katastrofy, žiadny koniec sveta - každodenné problémy, ako predtým. Ani v medicíne nedošlo k závratným zmenám, ale v biológii áno, len to nebolo presne na prelome tisícročia. 26. júna 2000, päť rokov pred plánovaným termínom, bolo ukončené sekvenovanie (prečítanie poradia nukleotidov) celého ľudského genómu. Médiá na udalosť reagovali palcovými titulkami: The race is over; The genome is mapped, now what?.Môžeme túto udalosť porovnať s rokom 1492, keď sa loď Santa Maria vrátila do Európy po “objavení” Ameriky Krištofom Kolumbusom? Alebo dňom, keď človek stúpil na povrch mesiaca? Mnohí vidia v novej genetike skôr hrozbu pre ľudstvo - podobné atómovej bombe, ktorá bola hodená na Hirošimu z lietadla Enola Bay 6. augusta 1945.Projekt ľudského genómu - aj veda môže byť dobrý obchod?Práca sa začala v mnohých vedeckých centrách USA, Kanady a Európy v roku 1990 a bola plánovaná na 15 rokov. Koordináciu zabezpečovali Američania v National Institute of Health (NIH), hlavným šéfom sa stal J.D. Watson, neskôr vystriedaný F.S. Collinsom. Prvé roky neprienesli príliš veľké výsledky, ale už v roku 1995 sa zdalo, že úloha je splniteľná. Obrovské množstvo financií, medzinárodná spolupráca, široká aplikácia nových technológií a v neposlednom mieste aplikácia informačnej technológie na spracovanie obrovského množstva dát začali prinášať ovocie. Informácia skrytá v našich génoch začala byť zaujímavá aj pre podnikateľov. Vývoj nových liekov, diagnostických postupov a prístrojov a iných aplikácií sľuboval obrovský profit. Aj vedci si začali uvedomovať, že ich vedomosti a nové poznatky majú hodnotu, ktorá sa dá vyjadriť v dolároch. Vznikli prosperujúce firmy zamerané na biotechnológiu. Jednu z nich zakladal Craig Venter, ktorý sa k štúdiu medicíny a genetiky dostal po návrate z vojny vo Vietname, kde bol zaradený k nosičom ranených. Študoval na univerzite v San Diego a potom niekoľko rokov pracoval v NIH na projekte ľudského genómu, kde nebol príliš spokojný ani uznávaný. Už v roku 1994 založil svoju prvú súkromnú biotechnologickú firmu TIGR kde za jediný rok prečíťali celý genóm baktérie Hemophilus influenzae. V roku 1998 založil CELERU a začal veľmi tvrdo konkurovať vedcom v NIH. Používal najlepšie a najrýchlejšie metodiky a počítačové programy.

Gény v Celere rozsekali na malé kusy metódou “shotgunning” (“strieľanie brokmi”), potom prečítali poradie nukleotidov jednotlivých kusov a poskladali ich pomocou počítačov podobne ako sa skladajú kusy v mozaikovaných hrách typu “puzzle”. Pod jeho vedením práca išla nesmierne rýchlo a Venter sabavedome vyhlásil, že ukončí sekvenciu ľudského genómu do roku 2001. Vzťah medzi Venterom a NIH nebol a dodnes nie je najlepší, ale je pravda, že konkurencia urýchlila prácu aj v akademických centrách. Nakoniec po zložitých rokovaniach, do ktorých musel zasahovať aj prezident Clinton, výsledok ohlásili na spoločnej tlačovej konferencii 26. júna 2000. Je možné diskutovať o tom, kto zo zainteresovaných má väčší podiel na tomto obrovskom úspechu, ale jedno je isté: Ľudstvo má už teraz k dispozícii obrovské množstvo informácií, ktoré behom krátkej doby môžu zmeniť medicínsku prax a umožniť včasnejšiu diagnostiku a úspešnejšiu liečbu väčšiny chorôb, ktoré nás trápia.Genóm je zmapovaný, čo teraz?Aké zmeny prinesie tento obrovský technologický úspech v najbližšej budúcnosti? Podľa vedcov, ktorí publikovali svoje názory v najdôležitejších vedeckých časopisov sveta (Nature a Science), biológia a tým postupne aj základný výskum v medicíne sa zmení z vedy chudobnej na údaje na vedu bohatú na informácie. Dostali sme sa k obrovskej hromade údajov, ale zatiaľ máme málo vedomostí. Problém je v komplexite systému. Až doteraz sme sa dívali na jednotlivé gény a na ich bielkovinové produkty jednotlivo, ale to je krajné zjednodušenie skutočnosti. Šokujúcim údajom pre mnohých bolo, že človek nemá 70 - 100 tisíc génov, ale len asi 30 tisíc. Pre porovnanie malý červ C. elegans má 20 tisíc génov a väčšina cicavcov toľko ako my. Naviac štruktúra a funkcia veľkej väčšiny génov zvierat je totožná s funkciou a štruktúrou analogických ľudských génov. Vysvetlenie rozdielu medzi nižšími a vyššími zvieratmi a medzi zvieratami a človekom spočíva práve v komplexite genómu. 30 000 génov je len o niečo viac ako 20 000, ale kombináciou zapnutých a vypnutých génov v jednom prípade vzniká 220 000, v druhom 230 000 možností. Ak uvažujeme o genóme ako o komplikovanej informačnej sieti, sme schopní pochopiť aj to, že napriek všetkým podobnostiam vo funkcii génov, biochémii a fyziológií predsa sa zásadne líšime od zvierat.Z uvedeného vyplýva, že behom niekoľkých rokov dôjde k obrovskému pokroku našich vedomostí o chorobách - zmení sa aj naše poňatie choroby. Aj v budúcnosti budeme hovoriť o lekárskej genetike (náuka o dedičných chorobách), ale oveľa viac o genomike. Na gény sa nebudeme dívať ako na možné príčiny pomerne zriedkavých chorôb, ale ako na informačné systémy riadiace každý prejav života (tab. č. 5).

Na druhej strane prestaneme vnímať gény deterministicky, lebo ich činnosť je možná len vo vzťahu k prostrediu.Okrem odhalenie tajomstva chorôb s neúplne objasnenou etiopatogenézou (hypertenzia, diabetes druhého typu, Alzheimerova choroba, zhubné nádory, alergia a mnohé iné) prienesie genomická medicína mnohé iné výsledky, z ktorých ne všetky budú jednozačne pozitívne.Diagnostika chybných génov a génov, ktoré predisponujú k chorobám bude súčasťou rutínnej medicíny. Niektoré testy už teraz sú k dispozícii. Prečítanie genómu jedinca samozrejme prináša aj otázky. Čo máme robiť s nálezom chybného génu, ak proti danej chorobe neexistuje liečba? Kto má právo vedieť, čo sa skrýva v našich chromozómoch? (tab. č. 6).Vývoj nových liekov bude rýchlejší a jednoduchší ako predtým. Nové lieky vyvinuté na základe nových poznatkov budú mať menej vedľajších príznakov ako terajšie. Dúfajme, že tieto lieky budú prístupné pre celú spoločnosť a nebudú znamenať len väčší profit pre firmy.Na trhu bude oveľa viac produktov génového inžinierstva ako teraz. Budú k dispozícii aj tkanivá na transplantáciu vyrobené metódami tkanivového inžinierstva. Pravdepodobne sa podarí vyrobiť bioorganické Langerhansove ostrovčeky a iné umelé orgány.Najviac sa v súvislosti s novou érou hovorí o génovej terapii a o klónovaní. Tieto technológie však nesúvisia priamo s mapovaním genómu a začalo sa s nimi experimentovať oveľa skôr. Prvé pokusy liečiť monogénové choroby takým spôsobom, že do buniek chorého sa pomocou vektorov dopravili bezchybné gény, sa uskutočnili už pred skoro dvadsiatimi rokmi a až na málo výnimiek neboli príliš úspešné3. Dnes sú povolené klinické štúdie predovšetkým na liečbu rakoviny a menej na liečbu monogénových ochorení. Klónovanie, ktoré naozaj prináša mnohé veľmi závažné etické problémy (tab. č. 7) je založené na postupoch, ktoré súvisia s umelým oplodnením a nie s technológiami, ktoré umožnili mapovanie genómu. (3 Ozajstná oprava chybných génov by bola možná len manipuláciou s pohlavnými bunkami alebo oplodneným vajíčkom. Gény vpravené do buniek dospelého jedinca nemusia byť aktívne a prestanú účinkovať po zániku bunky. Perspektívnym riešením je génová manipulácia s kmeňovými bunkami rôznych tkanív)Genomická medicína a nová éra preventívnej medicínyNová medicína, ktorá vzniká po zmapovaní ľudského genómu a po pochopení nesmiernej komplexity súhry génov a prosredia má však ešte jeden aspekt, o ktorom sa zatiaľ málo hovorí. O preventívnej medicíne sa v minulosti hovorilo veľa a úspechy, ktoré sa dosiahli napríklad očkovaním proti variole a poliomyelitíde, sú nesporné. Kiahne môžeme vyškrtnúť zo zoznamu chorôb a je reálna nádej, že detskú obrnu o niekoľko rokov pravdepodobne postihne podobný osud. Oveľa menej sa nám darí v prevencii obezity a s ňou súvisiacich ochorení, v prevencii rakoviny a iných chorôb, ktoré sa nesprávne označujú ako “civilizačné choroby”. Skutočná civilizácia by totiž mala viesť k zdraviu a nie k chorobám.

Všetci vieme, že naša strava a životospráva je často nesprávna, ale rady, ktoré by sme mali brať k srdcu, vnímame len v nejakej abstraktnej rovine. To, že treba cvičiť, menej a zdravšie jesť, konzumovať viac zeleniny, prestať fajčiť a piť tvrdý alkohol sa vždy vzťahuje na toho druhého a nie na nás. Ak však bude jasné, že sme od svojich rodičov zdedili gény, ktoré znamenajú jednoznačne zvýšené riziko aterosklerózy, maligného rastu buniek, porúch imunity a iných chorobných pochodov, môže sa zmeniť aj náš osobný postoj k aktívnej prevencii. Je pravda, že bez génov neexistuje život, ale gény mimo svojho prostredia sú neživé molekuly. Prostredie, v ktorom gény vykonávajú svoju funkciu, vytvárame do veľkej miery my sami. Konečný výsledok - zdravie a choroba preto nezávisí len od génov, ale hlavne od toho, ako s vlastnými génmi zaobchádzame. Prevencia v ére genomickej medicíny bude založená na konkrétnych údajoch a bude individualizovaná a cielená. Z troch skupín ochorení, ktoré sú znázornené na obr. č. 2, najväčší pokrok môžeme očakávať práve u tých, kde gény sú len akýmsi pozadím, ale o zdraví a chorobe rozhoduje náš aktívny a kreatívny prístup k zdravej životospráve a racionálnej výžive. Nesmierne dôležitou zložkou aktívneho preventívneho prístupu k vlastnému zdraviu bude rozumné a cielené užívanie vitamínov, stopových prvkov, antioxidantov, imunomodulátorov a iných prípravkov. Finclub ponúka širokú škálu moderných a mimoriadne kvalitných prípravkov a vytvára možnosť spolupráce medzi praktickými lekármi, teoretickými odborníkmi a širokou vrstvou ľudí, ktorí sa starajú o vlastné zdravie v Českej a Slovenskej republike, a onedlho aj v iných krajinách Európy.Mendelove zákony dedičnostiMendel svoje pozorovania, ktoré získal štúdiom vplyvu kríženia na rôzne znaky hrachu siatého (Pisum sativum) v priebehu mnohých generácií, vysvetloval asi takto: Rôzne páry kontrastných znakov (červený - biely kvet) sú výsledkom faktoru, ktorý má rôzne formy (dnes to nazývame alelami génov). Každá rastlina obsahuje pár faktorov určujúcich daný znak, od každého rodiča po jednom. Faktory sa v rastlinách nemiešajú a prenášajú sa v nezmenenej podobe prostredníctvom gamét na potomstvo.

Rôzne znaky sa dedia nezávisle od seba.Znenie Mendelových zákonov podľa dnešnej terminológie:Zákon o jednotnosti prvej generácie krížencovPo skrížení hrachu s červenými a bielymi kvetmi sa objavili rastliny s červenými kvetmi.Zákon o nerovnosti druhej generácie krížencovŠtvrtina potomkov rastlín s červenými kvetmi mala biele kvety.Zákon o voľnej kombinovateľnosti alelFarba kvetov sa dedí nezávisle od tvaru plodov.Chápanie chorôb v minulosti a v ére genomikyXIX. storočieDiagnóza sa určovala na základe príznakov chorobyCukor v moči = diabetes mellitusSmrť v diabetickej kómeXX. storočieDiagnóza sa určovala na základe príznakov choroby a na základe etiopatogenézy chorobyHyperglykémia a imunitným pochodom deštruované? bunky Langerhansovych ostrovčekov = diabetes mellitus prvého typuMožnosť suplementačnej liečby inzulínomXXI. storočieDiagnóza sa bude určovať na základe príznakov choroby, na základe údajov o mechanizmov na úrovni molekulovej biológie a na základe etiopatogenézy chorobyUrčité varianty génov pre bielkoviny, ktoré rozhodujú o prezentácii antigénov predisponujú jedinca k autoimunitnej reakcii proti ? bunkám Langerhansovych ostrovčekov. Spúšťačom autoimunitného pochodu môžu byť niektoré vírusové infekcie. Možnosť preventívneho zásahu! Gény a prostredieVýsledky projektu ľudského genómu sa v krátkej budúcnosti uplatnia v preventívnej medicíne (skupina chorôb “C”)Po objavení dvojitej špirály sa zdalo, že tajomstvo života je objasnené v tejto jednoduchej schéme. Základom delenia buniek, rozmnožovania jedincov a dedičnosti je replikácia DNA. Metabolizmus je riadený tým, že aktivované gény sú najprv prepísané (translácia) na RNA a potom na ribozómoch preložené (translácia) do reči bielkovín. Biochemické reakcie sú riadené týmito bielkovinami. Schéma platí aj dnes - problém je v tom, že život nemožno vysvetliť súčtom génov, ale ich nesmierne komplikovanou vzájomnou súhrou a vzťahom medzi génmi a ich prostredím.
(c) 2003 FINCLUB plus a.s.

Najvýznamnejší objav storočia, ak nie tisícročia
Väčšina vedcov zaň považuje objav štruktúry DNA Watsonom a Crickom v roku 1953, za ktorý dostali Nobelovu cenu v roku 1962. Objasnil ako sa gény množia, ako fungujú a z čoho sú zložené. Ohromujúci význam štruktúry DNA bol v tom, že všetko vyzeralo jednoducho a predsa tak krásne. Ako vyjadril Dawkins : „Na molekulárnej biológii v ére po Watsonovi a Crickovi je naozaj revolučné to, že sa stala digitálnou … strojový kód génov je záhadne počítačový.“
V súčasnosti genetický kód (pravidlo prepisu reči DNA do reči bielkovín) už poznáme, rovnako ako aj celý zápis DNA (genom) niektorých organizmov. Mimoriadny záujem verejnosti, vedeckých ale aj politických kruhov vyvolalo minulý rok určenie genomu človeka.
Až doteraz boli ľudské gény takmer naprostým tajomstvom. Sme prvou generáciou, ktorá toto tajomstvo odhalila. Stojíme na začiatku nových odpovedí, ale aj nových otázok.
J. D.

Watson v rozhovore pri udelení čestného doktorátu Karlovej univerzity v Karolíne v máji 1998 na otázku: „Ako prispeje k pochopeniu všeobecných biologických zákonitostí napríklad štúdium ľudského genomu?“ odpovedal: „Projekt sekvenovania ľudského genomu nám poskytne niečo ako knihu návodov, ale ešte to dá kus práce – neznamená to totiž, že tú knihu budeme vedieť čítať. Zatiaľ vieme čiastočne preložiť jej jazyk, budúcim cieľom je vedieť tento jazyk preložiť úplne. A potom ešte dlho potrvá, kým úplne pochopíme, čo tieto návody hovoria. Neviem ako dlho, ale v budúcom storočí tejto knihe ešte úplne rozumieť nebudeme. Potrebujeme aspoň sto rokov, aby sme pochopili, prečo naša kniha vyzerá tak, ako vyzerá.“

Ľudský génom je samostatný životopis v jazyku, ktorý by sme mohli nazvať „genetičtinou“. 26. jún 2000 dostal prezývku „deň G“, pretože v tento deň oznámili vedci svetu, že práve „nahrubo prečítali“ ľudskú dedičnú informáciu. Od tohto okamihu sa rozbehli na plné obrátky i práce na hodnotení prečítanej genetickej informácie. Najvýkonnejšie počítače „nakŕmené“ obrovskými dávkami dát hľadali pomocou špeciálnych počítačových programov jednotlivé gény a ďalšie zaujímavé úseky dedičnej informácie. Úlohou nasledujúcich týždňov a mesiacov bolo pochopiť základy „reči“, ktorou „rozpráva“ naša dedičná informácia. Vo februári 2001 boli zverejnené prvé „náhľady“ do ľudského genomu. Bol to pohľad plný prekvapení. Kniha má miliardu slov, je dlhšia ako 5000 zväzkov o veľkosti bežnej knihy alebo rovnako dlhá ako 800 biblií.
Keby bol genom čítaný rýchlosťou jedno slovo za sekundu osem hodín denne, trvalo by to 100 rokov.
Keby bol ľudský genom zapísaný spôsobom - jedno písmeno na jeden milimeter, text by bol taký dlhý ako rieka Dunaj.
Je to gigantický dokument, obrovská kniha, predpis nesmiernej dĺžky a pritom sa vojde do vnútra mikroskopického jadra maličkej bunky, ktorá je oveľa menšia ako špendlíková hlavička.

Zdroje:

doc. MUDr. Oliver Rácz - Internet, časopisy -