سرانجام به ژنوم انسانی کامل دست پیدا کردیم

تکمیل ژنوم انسان چندین‌بار در گذشته اعلام شده بود؛ اما آن‌ها درواقع پیش‌نویس‌های ناقصی از آن بودند. ایوان آیشلر، متخصص ژنتیک انسانی و پژوهشگر مؤسسه‌ی پزشکی هاورد هیوز در دانشگاه واشینگتن در سیاتل می‌گوید: «این بار واقعا این کار را انجام دادیم.» ژنوم کامل‌شده در مجموعه‌‌مقالاتی در مجله‌ی Science and Nature Methods ارائه شد.

تیم ‌بین‌المللی پژوهشگران از فناوری جدید توالی‌یابی DNA برای خوانش قطعات تکراری DNA استفاده کردند که در نسخه‌های قبلی ژنوم وجود نداشت. با رمزگشایی این قطعات دشوار، حدود ۲۰۰ میلیون باز DNA، یعنی حدود ۸ درصد از ژنوم، به کتاب دستورالعمل ژنتیکی اضافه شد.

ژنوم جدید اساساً فصلی کامل است و حاوی اولین نگاه‌ها به بازوهای کوتاه برخی کروموزوم‌ها (ژن‌هایی که مدت‌ها از آن‌ها بی‌اطلاع بودیم) و بخش‌های مهمی از کروموزوم‌ها به نام سانترومر است. سانترومر محلی روی کروموزوم است که ماشین‌آلات مسئول تقسیم DNA در آن‌‌جا قرار می‌گیرند.

راجیو مک‌کوی، متخصص ژنتیک انسانی در دانشگاه جانز هاپکینز می‌گوید: «برخی از مناطقی که قبلاً شناسایی نشده بودند، مناطق بسیار جالبی بودند. این هیجان‌انگیز است؛ زیرا می‌توانیم برای اولین‌بار این مناطق را بررسی کنیم و ببینیم چه چیزی می‌توانیم پیدا کنیم.» تلومرها قطعات تکراری از DNA هستند که در انتهای کروموزوم‌ها قرار دارند. آن‌ها مانند نوک بند کفش ممکن است به ممانعت از بازشدن کروموزوم‌ها کمک کنند.

داده‌های حاصل از این تلاش دردسترس پژوهشگران دیگر قرار گرفته است. پژوهشگرانی مانند تینگ وانگ، ژنتیک‌دان دانشکده‌ی پزشکی دانشگاه واشینگتن در سنت‌لوئیس، روی آن‌ها کار کرده‌اند. وانگ می‌گوید: «داشتن چنین مرجع کاملی مطالعات زیست‌پزشکی را بهبود می‌بخشد. این منبع بسیار سودمندی است و شکی وجود ندارد که دستاورد مهمی است.» باوجوداین، وانگ می‌گوید ژنوم انسان هنوز کاملِ کامل نیست.

آیشلر درباره‌ی بیان این ادعا احتیاط می‌کند که این اتمام ژنوم انسانی است. او می‌گوید چیزی به نام ژنوم انسانی وجود ندارد. بخش‌های بزرگی از ژنوم هر دو فرد، از بسیار مشابه تا تقریباً یکسان متغیر است. بخش‌های کوچک‌تری نیز وجود دارند که باهم بسیار فرق دارند.

ژنوم مرجع می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تفاوت بین افراد را پیدا کنند و از این طریق به ژن‌هایی برسند که ممکن است در بیماری‌ها نقش داشته باشند. داشتن چشم‌اندازی از ژنوم کامل بدون قسمت‌های ناشناخته می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا درک بهتری از سلامتی و بیماری و تکامل انسان به‌دست آورند.

ژنوم جدید نیز از یک شخص نمی‌آید؛ بلکه ژنوم مول هیداتی‌فرم کامل است (حاملگی مولار یا بچه‌خوره: نوعی تومور که زمانی تشکیل می‌شود که اسپرم تخمک خالی را باور می‌کند و کروموزوم‌های پدر مضاعف می‌شوند).

پژوهشگران تصمیم گرفتند تا ژنوم کامل را از رده‌ی سلولی CHM13 رمزگشایی کنند که از یکی از این تومورهای غیرعادی مشتق شده بود. کارن میگا، ژنتیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز، می‌گوید این تصمیم به‌دلایل فنی گرفته شد.

افراد معمولاً یک مجموعه کروموزوم‌ را از مادر و مجموعه دیگر را از پدر خود می‌گیرند؛ بنابراین، در هر سلول دو ژنوم داریم. میگا می‌گوید اگر تکمیل یک ژنوم کاری شبیه کنار‌هم قرار‌دادن قطعات یک پازل باشد، اساساً دو پازل در یک جعبه دارند که بسیار شبیه یکدیگر هستند. پژوهشگران پیش از چیدن این دو پازل درکنارهم، باید آن‌ها را مرتب کنند. ژنوم‌های مول‌هیداتی‌فرم چنین مشکلی ایجاد نمی‌کنند و فقط یک پازل درون جعبه قرار دارد. پژوهشگران مجبور شدند کروموزوم Y را از فرد دیگری اضافه کنند؛ زیرا اسپرمی که مول‌هیداتی‌فرم ایجاد کرده بود، حامل یک کروموزوم X بود.

کنارهم قراردادن یک پازل هم کار دشواری است؛ اما فناوری‌های جدیدی که به پژوهشگران اجازه می‌دهد بازهای DNA را به‌ترتیب در‌کنار‌هم قرار ‌دهند، می‌تواند قطعاتی به طول بیش از ۱۰۰ هزار باز تولید کند. درست همان‌طورکه چیدن پازل‌های کودکان وقتی قطعات بزرگ‌تر و کمتر باشد، آسان‌تر است، این خوانش‌های طولانی کنارهم قراردادن قطعات ژنوم را راحت‌تر کرد؛ خصوصاً در بخش‌های تکراری که در آن ممکن است دو نسخه‌ی متفاوت فقط ازنظر چند عدد باز باهم فرق داشته باشند. قطعات بزرگ‌تر به پژوهشگران کمک کرد تا برخی از اشتباهات ژنوم مرجع قدیمی را تصحیح کنند.

دی‌ان‌ای تازه‌رمزگشایی‌شده حاوی بازوهای کوتاه کروموزوم‌های شماره ۱۳، ۱۴، ۱۵، ۲۱ و ۲۲ است. این کروموزوم‌های آکروسانتریک برخلاف کروموزوم‌های دیگر شبیه X نیستند. درعوض، آن‌ها بازوهای بلند و بازوهای کوتاه دارند. کوتاه‌بودن طول بازوی کروموزوم نشان‌دهنده بی‌اهمیت‌بودن آن نیست. این بازوها محل قرارگیری ژن‌های rDNA هستند که rRNAها را رمزگذاری می‌کنند که از اجزای اصلی ماشین‌آلات مولکولی پیچیده‌ای به نام ریبوزوم‌ هستند.

ریبوزوم‌ها دستورالعمل‌های ژنتیکی را می‌خوانند و پروتئین‌های موردنیاز برای عملکرد سلول‌ها و بدن را می‌سازند. صدها نسخه از این مناطق rDNA در ژنوم هر فرد وجود دارد (به‌طور متوسط ۳۱۵)؛ اما برخی افراد تعداد کمتر و برخی تعداد بیشتری دارند. آن‌ها برای اطمینان از این مسئله اهمیت دارند که در سلول‌ها کارخانه‌های سازنده پروتئین آماده‌ی کار وجود دارد. میگا می‌گوید:

نمی‌دانستیم در این مناطق انتظار چه چیزی را داشته باشیم. متوجه شدیم که هر کروموزوم آکروسانتریک و هر rDNA روی آن کروموزوم، واریانت‌هایی داشت؛ یعنی تغییراتی در واحد تکراری که مخصوص آن کروموزوم خاص بود.

پژوهشگران با استفاده از برچسب‌های فلورسنت کشف کردند که گاهی‌ اوقات، DNA تکراری که درکنار مناطق rDNA قرار دارد (و شاید هم خود rDNA)، تغییر مکان می‌دهد و روی کروموزوم دیگری قرار می‌گیرد. چرایی و نحوه‌ی وقوع این اتفاق هنوز مشخص نیست.

ژنوم کامل نیز شامل ۳,۶۰۴ ژن است. ۱۰۴ ژن کدکننده پروتئین‌ در ژنوم قدیمی وجود نداشت. بسیاری از این ژن‌ها نسخه‌های کمی متفاوتی از ژن‌های قبلا شناخته‌شده هستند و برخی در تکامل و رشد مغز، اوتیسم، پاسخ‌های ایمنی، سرطان و بیماری‌های قلبی‌عروقی نقش دارند. داشتن نقشه‌ی کاملی از همه‌ی این ژن‌ها، ممکن است به درک بهتری از کاری که آن‌ها انجام می‌دهند و شاید حتی درک این مسئله منجر شود که چه چیزی موجب انسان‌شدن ما می‌شود.

فناوری‌های جدید که به دانشمندان اجازه می‌دهد بازهای DNA که با حروف A ،‌T ،‌C و G نشان داده می‌شوند، به‌ترتیب درکنارهم بگذارند، به پژوهشگران کمک کرده است تا یکی از پازل‌های پیچیده‌ی جهان، یعنی ژنوم کامل انسان را درکنارهم قرار دهند.

یکی از یافته‌های مهم پروژه‌ی مذکور، رمزگشایی از ساختار همه‌ی سانترومرهای انسانی است. سانترومرها بخش‌های فشرده‌ای هستند که موجب می‌شوند بیشتر کروموزوم‌ها به شکل X باشند. آن‌ها نقاط اجتماع کینِتوکورها محسوب می‌شوند و کینتوکورها نیز ماشین‌آلات سلولی هستند که حین تقسیم سلول DNA را تقسیم می‌کنند.

تقسیم صحیح ماده‌ی ژنتیکی یکی از وظایف مهم درون یک سلول است. وقتی این فرایند اشتباه پیش برود، ممکن است نقایص تولد یا سرطان یا مرگ رخ دهد. پژوهشگران قبلاً سانترومرهای مگس میوه و سانترومرهای کروموزوم‌ ۸، کروموزوم X و کروموزوم Y انسان را رمزگشایی کرده بودند؛ اما اولین‌باری است که بقیه سانترومرها رمزگشایی می‌شوند. این ساختارها عمدتاً تکرارهای از حدود ۱۷۱ جفت باز DNA هستند که آلفا ساتلایت نامیده می‌شوند.

میگا و همکارانش در مجله‌ی ساینس توضیح می‌دهند که این تکرارها درون تکرارهای دیگری قرار می‌گیرند و الگوهای پیچیده‌ای را ایجاد می‌کنند که سانترومر جداگانه هر کروموزوم را متمایز می‌کند. آگاهی از این ساختارها به پژوهشگران کمک می‌کند تا دانش بیشتری از نحوه‌ی تقسیم کروموزوم‌ها و اختلالات رخ‌داده در این فرایند به‌دست آورند.

پژوهشگران اکنون ساختار تمام سانترومرهای انسان را رمزگشایی کرده‌اند. سانترومرها بخش‌های فشرده کروموزوم‌ها هستند (قرمز) که در آن‌‌‌جا ساختارهایی به نام میکروتوبول‌ها (سبز) متصل می‌شوند و آن‌ها را می‌کِشند تا به توزیع مناسب DNA در سلول‌ها کمک کنند.

پژوهشگران اکنون نقشه‌ی کامل‌تری از نشانه‌های اپی‌ژنتیک دارند (برچسب‌های شیمیایی روی DNA یا پروتئین‌های وابسته‌ای که ممکن است نحوه‌ی تنظیم ژن‌ها را تغییر دهند). وینستون تیمپ، مهندس زیست‌پزشکی از دانشگاه جانز هاپکینز و همکارانش در ساینس گزارش می‌کنند نوعی از نشانه‌های اپی‌ژنتیک که با عنوان متیلاسیون DNA شناخته می‌شود، در سراسر سانترومرها به‌جز یک نقطه نام فرورفتگی سانترومریک فراوان است.

پژوهشگران کشف کردند که این فرورفتگی‌ها جایی است که در آن، کینتوکورها به DNA متصل می‌شوند؛ اما هنوز مشخص نیست که آیا کاهش میزان متیلاسیون در این نواحی موجب می‌شود ماشین‌آلات سلولی در آن نقطه جمع شوند یا اجتماع ماشین‌آلات به سطوح پایین‌تر متیلاسیون منجر می‌شود.

بررسی الگوهای متیلاسیون DNA در DNA افراد مختلف و مقایسه‌ی آن‌ها با ژنوم مرجع جدید نشان داد فرورفتگی‌ها در نقاط مختلفی در سانترومرهای هر فرد رخ می‌دهد؛ اگرچه پیامدهای این مسئله مشخص نیست. حدود نیمی از ژن‌های دخیل در تکامل مغزهای بزرگ و چروک‌خورده انسان در نسخه‌های متعددی در بخش‌های تکراری تازه‌کشف‌شده‌ی ژنوم دیده می‌شوند.

آریل گرشمن، ژنتیک‌دان دانشکده‌ی پزشکی دانشگاه جان هاپکینز، می‌گوید قراردادن نقشه‌های اپی‌ژنتیکی روی ژنوم مرجع، به پژوهشگران اجازه داد تا متوجه شوند که کدام‌یک از نسخه‌های متعدد ژن‌ها خاموش یا روشن بودند. گرشمن می‌گوید:

این کار به ما بینش بیشتری درباره‌ی توالی‌ها واقعاً مهم و نقش عملکردشان در رشد مغز انسان می‌دهند. این برای ما هیجان‌انگیز بود؛ زیرا هرگز مرجعی وجود نداشت که در این مناطق تکراری به‌اندازه‌ی کافی دقیق باشد تا به ما بگوید کدام ژن‌ها فعال یا غیرفعال هستند.

یکی از انتقاداتی که به پژوهش‌های ژنتیکی وارد می‌شود، این است که به‌شدت متکی بر DNA افراد اروپایی‌تبار است. رده‌ی سلولی CHM13 نیز میراث اروپایی دارد؛ اما پژوهشگران از مرجع جدید برای کشف الگوهای جدید تنوع ژنتیکی استفاده کرده‌اند.

مک‌کوی و همکارانش با استفاده از داده‌های DNA جمع‌آوری‌شده از هزاران فرد با تبارهای متنوعِ حاضر در پروژه‌های تحقیقاتی قبلی و مقایسه‌ی آن با ژنوم مرجع T2T، به‌راحتی و با دقت بیشتر مکان‌هایی را یافتند که افراد در آن تفاوت دارند.

کنسرسیوم تلومر تا تلومر (T2T) قصد دارد با همکاری وانگ و همکارانش ژنوم کامل ۳۵۰ فرد از تبارهای مختلف را تهیه کند. وانگ می‌گوید برخی از اولین یافته‌های این تلاش که پروژه‌ی «پان‌ژنوم» نامیده می‌شود، اواخر امسال منتشر خواهد شد. مک‌کوی و تیمپ می‌گویند ممکن است مدتی طول بکشد؛ اما درنهایت پژوهشگران از ژنوم مرجع قدیمی به مرجع کامل‌تر و دقیق‌تر T2T روی خواهند آورد. تیمپ می‌گوید: «این مانند ارتقا به نسخه‌ی جدیدی از نرم‌افزار است. قرار نیست همه به‌سرعت از آن استفاده کنند.»

آماندا لاراکوئنته، متخصص ژنتیک تکاملی دانشگاه روچستر در نیویورک نیز می‌گوید:

ژنوم تکمیل‌شده‌ی انسان برای پژوهشگرانی نیز مفید خواهد بود که موجودات دیگر را مطالعه می‌کنند. آنچه برای من هیجان‌انگیز است، تکنیک‌ها و ابزارهایی است که این تیم ایجاد کرده است و اینکه بتوانیم آن‌ها را برای مطالعه گونه‌های دیگر به‌کار ببریم.

آیشلر و پژوهشگران دیگر قصد دارند ژنوم کامل شامپانزه‌ها و بونوبوها و کپی‌های بزرگ دیگر را تهیه کنند تا درباره‌ی نحوه‌ی تکامل انسان‌ها دانش بیشتری به‌دست آورند. آیشلر می‌گوید: «این پایان کار نیست؛ بلکه تحولی نه‌فقط برای پژوهش‌های ژنومی، بلکه برای پزشکی بالینی خواهد بود؛ هرچند تحقق آن ممکن است سال‌ها طول بکشد.»