Ktorý výsledok základného výskumu z posledného obdobia treba pokladať v danej vednej oblasti za najvýznamnejší? Vo väčšine odborov biológie – a zrejme aj iných vied – vyvolá táto otázka diskusiu. V oblasti genetiky človeka však niet o čom diskutovať.
Odpoveď je totiž jednoznačná: najvýznamnejším výsledkom je stanovenie sekvencie stavebných prvkov ľudskej DNA, t. j. dekódovanie ľudského genómu. Na tomto dekódovaní sa približne počas pätnástich rokov podieľali vedci dvadsiatich popredných pracovísk zo šiestich krajín, združení do medzinárodného projektu „Ľudský genóm“. Bol to jeden z najrozsiahlejších (aj finančne najnáročnejších) vedeckých projektov všetkých čias. Oficiálne sa končil v r. 2003 (keď dosiahol všetky svoje pôvodné ciele), neoficiálne však pokračuje naďalej.
.metodika
Projekt ľudského genómu mal viacero presne špecifikovaných cieľov, medzi ktorými dominovali ciele identifikovať všetky ľudské gény, určiť ich štruktúru a funkciu a stanoviť úplnú sekvenciu všetkých okolo troch miliárd stavebných jednotiek (báz) ľudskej DNA. Koncom osemdesiatych rokov, keď bol projekt formulovaný, vyznievali tieto čiastkové ciele nesmierne ambiciózne – podľa názoru mnohých odborníkov dokonca ako číra utópia. O počte ľudských génov v tom čase panovali len celkom neurčité predstavy a metódy sekvenovania DNA boli v plienkach. Za veľký úspech sa pokladalo (oprávnene!) stanovenie sekvencie DNA ľudských mitochondrií – a tá sa skladá iba z čosi vyše 16 000 báz a obsahuje iba zopár desiatok génov. Čo to je oproti trom miliardám báz DNA a desiatkam tisícov génov, obsiahnutých v DNA bunkového jadra!
Vtedy dostupnými metódami by stanovenie sekvencie celej ľudskej DNA trvalo niekoľko storočí, a nie 15 rokov, ktoré boli na projekt ľudského genómu vymedzené. Preto súčasťou projektu bola úloha vyvinúť metodické postupy rádovo efektívnejšie než tie, ktoré boli v danom čase k dispozícii.
Tento cieľ sa podarilo splniť bezozvyšku. Málokto to vie, ale metodický pokrok v oblasti molekulárnej genetiky je rýchlejší, ako progres, ktorý s takým úžasom pozorujeme v oblasti výpočtovej techniky. Pred necelými štyridsiatimi rokmi, keď sa prvý raz podarilo stanoviť sekvenciu kratučkého úseku DNA (bolo to 12 báz z genómu bakteriofága lambda), išlo o ekvivalent ročnej práce jedného odborníka. O desať rokov neskôr (r. 1978) už jeden človek stihol za rok práce stanoviť sekvenciu cca 15 000 báz, v roku 1999 už neuveriteľných 150 miliónov. No a dnes existuje pracovisko (firma Complete Genomics v Kalifornii), ktoré tvrdí, že je v jeho silách stanoviť počas roka sekvenciu 1 000 ľudských genómov (t.j. 1 000 x 3 miliardy báz) a o rok dokonca 20 000 genómov.
Úmerne k rastu rýchlosti klesá cena: kým stanovenie prvej ľudskej DNA sekvencie pred necelými desiatimi rokmi si vyžiadalo náklady okolo troch miliárd dolárov, dnes sa cena pohybuje rádovo v desiatkach tisícov dolárov a je predpoklad poklesu na azda tisíc dolárov v najbližších rokoch.
Pri štúdiu DNA sa nevyužíva len stanovenie sekvencie báz a pokrok v ostatných metódach práce s DNA má porovnateľnú dynamiku. Takže metodické predpoklady na štúdium ľudského genómu máme – ale na aké praktické účely ich môžeme využiť? Už pri príprave projektu ľudského genómu sa najväčšie očakávania sústreďovali do oblasti diagnostiky, prevencie a liečby genetických a nádorových ochorení.
.diagnóza
Genetické ochorenia sa tradične – a trochu zjednodušene – rozdeľujú na jednogénové (zapríčinené mutáciou jediného génu), komplexné (vyvolané súčasným pôsobením viacerých génov a vplyvov prostredia) a na chromozómové (dôsledky zmeny počtu alebo štruktúry chromozómov). Výsledky projektu ľudského genómu sa okamžite odrazili v jednej oblasti: v diagnostike všetkých troch týchto skupín genetických ochorení. Jednogénové ochorenia, ktorých poznáme niekoľko tisíc, dnes už dokážeme diagnostikovať pomocou rozboru DNA takmer všetky, ak sú dostatočne závažné, a nie sú extrémne zriedkavé. Pritom ide o diagnózu presnú a rýchlu, dá sa vykonať aj v prenatálnom období (z DNA buniek plodovej vody alebo chóriových klkov), a umožňuje odhaľovať aj prenášačov zmutovaných génov, ktorí sami nemajú žiadne príznaky ochorenia. Dnes je k dispozícii niekoľko stoviek špecifických testov DNA, zameraných na diagnózu častých a závažných jednogénových chorení a neprestajne pribúdajú ďalšie. Bežne sa využívajú, už dlhší čas, aj na našich pracoviskách.
Rovnako priaznivá je situácia aj pri DNA diagnostike chromozómových porúch. Väčšinu z nich síce možno diagnostikovať aj tradičnými metódami, založenými na mikroskopickej vizualizácii chromozómov, no tieto metódy dnes rýchlo ustupujú pred DNA testami chromozómových porúch. Tie sú totiž nielen rýchlejšie (významný aspekt napríklad pri prenatálnej diagnostike), ale dovoľujú odhaliť aj také drobné zmeny štruktúry chromozómov, ktoré pod mikroskopom nevidno. Aj DNA testy chromozómových aberácií už začínajú prenikať aj do našej zdravotníckej praxe, hoci zatiaľ len v obmedzenom rozsahu.
Trochu zložitejšia situácia je pri DNA diagnostike komplexných ochorení. Tieto ochorenia sú spomedzi genetických ochorení najčastejšie. Patria medzi ne napríklad mnohé neurodegeneratívne ochorenia, kardiovaskulárne ochorenia, niektoré vrodené vývinové chyby, ale aj napríklad diabetes, alergie, mnohé psychiatrické ochorenia ... a desiatky ďalších. Svoj problém majú zakódovaný už v názve: sú komplexné. Nejde teda o jednoduchú mutáciu jediného génu, alebo o poruchu jediného chromozómu, ale o súhru pôsobenia viacerých (často mnohých) génov a viacerých (často mnohých) negenetických činiteľov: životný štýl, stravovacie návyky, fajčenie atď. Preto nečudo, že pred zmapovaním ľudského genómu chýbali akékoľvek možnosti spoznať genetický podklad komplexných ochorení na úrovni DNA a identifikovať jednotlivé zodpovedné gény.
Situácia sa začína meniť až v posledných rokoch. Obrovské medzinárodné tímy genetikov a klinikov zhromažďujú rozsiahle súbory pacientov s presne definovaným ochorením (často ide o tisíce jedincov) a porovnávajú ich DNA s DNA zdravých príslušníkov kontrolnej skupiny. Zatiaľ nie tak, že by DNA pacientov aj kontrol úplne sekvenovali – to je ešte stále mimo technických aj finančných možností – ale zameriavajú sa na niekoľko stotisíc úsekov DNA, o ktorých sa vie, že sú variabilné, teda že nie všetci ľudia sa v nich zhodujú. Medzi týmito státisícami sa hľadajú úseky, pri ktorých majú pacienti častejšie jeden konkrétny variant a zdraví jedinci iný variant. Väčšinou ide o úsek určitého génu, ktorý sa vlastne takýmto spôsobom podarí nájsť: jedného z mnohých spoluzodpovedných za študované ochorenie.
Zatiaľ sa ani u jedného komplexného ochorenia nepodarilo identifikovať všetky zúčastnené gény, ale pokrok je rýchly. Napríklad len vo februári tohto roku vyšlo šesť rozsiahlych štúdií, ktorých autori identifikovali dovedna deväť génov, podieľajúcich sa na vzniku infarktu myokardu a potvrdili predchádzajúce identifikácie piatich takýchto génov; pre každý však platí, že jeho individuálny „príspevok“ k vzniku ochorenia je veľmi malý, takže diagnosticky sa zatiaľ nedá využiť. (Stojí azda za zmienku, že jedna z týchto prác sa zakladá na vyšetrení 800 000 úsekov DNA u každého z vyše 12 000 pacientov s infarktom myokardu a u takmer 42 000 kontrol, a aj v ostatných štúdiách vyšetrené súbory tvoria tisícky pacientov.)
.liečba
Pravda, pacienta s genetickým ochorením problémy diagnostiky až tak veľmi nezaujímajú. On očakáva liečbu. A to nie hocijakú, ale takú, ktorá odstráni nielen príznaky ochorenia, ale aj jeho príčinu: poškodený gén či gény. Očakáva génovú terapiu.
Keď sa pred dvadsiatimi rokmi rodil projekt ľudského genómu, jednou z hlavných motivácií bola práve nádej, že projekt podstatne urýchli vývoj metód génovej terapie genetických a nádorových ochorení. Niet totiž pochybností, že podmienkou na vypracovanie účinných metód liečby tohto typu je práve znalosť ľudského genómu. Ukazuje sa však, že je to podmienka síce nutná, ale nepostačujúca.
Dodnes sa vo svete uskutočnilo približne 1 500 klinických skúšok rozličných foriem génovej terapie (z toho 95 % v USA a v Európe), no iba zopár z nich možno pokladať za ako-tak úspešné. Jeden z najúspešnejších, pri ktorom sa vnesením funkčného génu vyliečili detskí pacienti s geneticky podmienenou ťažkou formou nedostatočnosti imunitného systému, sa napokon skončil takmer katastrofou: dvaja vyliečení francúzski chlapci neskôr ochoreli na leukémiu, o ktorej sa zistilo, že bola priamym dôsledkom terapeutického postupu.
Leukémiu sa síce podarilo vyliečiť, ale optimizmus, ktorý dovtedy sprevádzal problematiku génovej terapie, sa vytratil, možno nadlho. Ešte v roku 2006 sa v celom svete začalo 116 nových klinických experimentov s génovou terapiu, v roku 2007 už len 89 a vlani len 56. Dnes prevláda názor, že na úspešné zvládnutie génovej terapie ešte čosi podstatné chýba: azda treba čakať na zásadný objav čohosi nového, o čom zatiaľ nikto netuší, čo to bude. Búrlivý rozvoj molekulárnej genetiky človeka, založený na poznatkoch, vyplývajúcich z projektu ľudského genómu, však poskytuje záruku, že sa tak stane. A exponenciálny rozvoj metód štúdia DNA vytvára reálne predpoklady, že to nepotrvá neúmerne dlho.
Autor je genetik
Odpoveď je totiž jednoznačná: najvýznamnejším výsledkom je stanovenie sekvencie stavebných prvkov ľudskej DNA, t. j. dekódovanie ľudského genómu. Na tomto dekódovaní sa približne počas pätnástich rokov podieľali vedci dvadsiatich popredných pracovísk zo šiestich krajín, združení do medzinárodného projektu „Ľudský genóm“. Bol to jeden z najrozsiahlejších (aj finančne najnáročnejších) vedeckých projektov všetkých čias. Oficiálne sa končil v r. 2003 (keď dosiahol všetky svoje pôvodné ciele), neoficiálne však pokračuje naďalej.
.metodika
Projekt ľudského genómu mal viacero presne špecifikovaných cieľov, medzi ktorými dominovali ciele identifikovať všetky ľudské gény, určiť ich štruktúru a funkciu a stanoviť úplnú sekvenciu všetkých okolo troch miliárd stavebných jednotiek (báz) ľudskej DNA. Koncom osemdesiatych rokov, keď bol projekt formulovaný, vyznievali tieto čiastkové ciele nesmierne ambiciózne – podľa názoru mnohých odborníkov dokonca ako číra utópia. O počte ľudských génov v tom čase panovali len celkom neurčité predstavy a metódy sekvenovania DNA boli v plienkach. Za veľký úspech sa pokladalo (oprávnene!) stanovenie sekvencie DNA ľudských mitochondrií – a tá sa skladá iba z čosi vyše 16 000 báz a obsahuje iba zopár desiatok génov. Čo to je oproti trom miliardám báz DNA a desiatkam tisícov génov, obsiahnutých v DNA bunkového jadra!
Vtedy dostupnými metódami by stanovenie sekvencie celej ľudskej DNA trvalo niekoľko storočí, a nie 15 rokov, ktoré boli na projekt ľudského genómu vymedzené. Preto súčasťou projektu bola úloha vyvinúť metodické postupy rádovo efektívnejšie než tie, ktoré boli v danom čase k dispozícii.
Tento cieľ sa podarilo splniť bezozvyšku. Málokto to vie, ale metodický pokrok v oblasti molekulárnej genetiky je rýchlejší, ako progres, ktorý s takým úžasom pozorujeme v oblasti výpočtovej techniky. Pred necelými štyridsiatimi rokmi, keď sa prvý raz podarilo stanoviť sekvenciu kratučkého úseku DNA (bolo to 12 báz z genómu bakteriofága lambda), išlo o ekvivalent ročnej práce jedného odborníka. O desať rokov neskôr (r. 1978) už jeden človek stihol za rok práce stanoviť sekvenciu cca 15 000 báz, v roku 1999 už neuveriteľných 150 miliónov. No a dnes existuje pracovisko (firma Complete Genomics v Kalifornii), ktoré tvrdí, že je v jeho silách stanoviť počas roka sekvenciu 1 000 ľudských genómov (t.j. 1 000 x 3 miliardy báz) a o rok dokonca 20 000 genómov.
Úmerne k rastu rýchlosti klesá cena: kým stanovenie prvej ľudskej DNA sekvencie pred necelými desiatimi rokmi si vyžiadalo náklady okolo troch miliárd dolárov, dnes sa cena pohybuje rádovo v desiatkach tisícov dolárov a je predpoklad poklesu na azda tisíc dolárov v najbližších rokoch.
Pri štúdiu DNA sa nevyužíva len stanovenie sekvencie báz a pokrok v ostatných metódach práce s DNA má porovnateľnú dynamiku. Takže metodické predpoklady na štúdium ľudského genómu máme – ale na aké praktické účely ich môžeme využiť? Už pri príprave projektu ľudského genómu sa najväčšie očakávania sústreďovali do oblasti diagnostiky, prevencie a liečby genetických a nádorových ochorení.
.diagnóza
Genetické ochorenia sa tradične – a trochu zjednodušene – rozdeľujú na jednogénové (zapríčinené mutáciou jediného génu), komplexné (vyvolané súčasným pôsobením viacerých génov a vplyvov prostredia) a na chromozómové (dôsledky zmeny počtu alebo štruktúry chromozómov). Výsledky projektu ľudského genómu sa okamžite odrazili v jednej oblasti: v diagnostike všetkých troch týchto skupín genetických ochorení. Jednogénové ochorenia, ktorých poznáme niekoľko tisíc, dnes už dokážeme diagnostikovať pomocou rozboru DNA takmer všetky, ak sú dostatočne závažné, a nie sú extrémne zriedkavé. Pritom ide o diagnózu presnú a rýchlu, dá sa vykonať aj v prenatálnom období (z DNA buniek plodovej vody alebo chóriových klkov), a umožňuje odhaľovať aj prenášačov zmutovaných génov, ktorí sami nemajú žiadne príznaky ochorenia. Dnes je k dispozícii niekoľko stoviek špecifických testov DNA, zameraných na diagnózu častých a závažných jednogénových chorení a neprestajne pribúdajú ďalšie. Bežne sa využívajú, už dlhší čas, aj na našich pracoviskách.
Rovnako priaznivá je situácia aj pri DNA diagnostike chromozómových porúch. Väčšinu z nich síce možno diagnostikovať aj tradičnými metódami, založenými na mikroskopickej vizualizácii chromozómov, no tieto metódy dnes rýchlo ustupujú pred DNA testami chromozómových porúch. Tie sú totiž nielen rýchlejšie (významný aspekt napríklad pri prenatálnej diagnostike), ale dovoľujú odhaliť aj také drobné zmeny štruktúry chromozómov, ktoré pod mikroskopom nevidno. Aj DNA testy chromozómových aberácií už začínajú prenikať aj do našej zdravotníckej praxe, hoci zatiaľ len v obmedzenom rozsahu.
Trochu zložitejšia situácia je pri DNA diagnostike komplexných ochorení. Tieto ochorenia sú spomedzi genetických ochorení najčastejšie. Patria medzi ne napríklad mnohé neurodegeneratívne ochorenia, kardiovaskulárne ochorenia, niektoré vrodené vývinové chyby, ale aj napríklad diabetes, alergie, mnohé psychiatrické ochorenia ... a desiatky ďalších. Svoj problém majú zakódovaný už v názve: sú komplexné. Nejde teda o jednoduchú mutáciu jediného génu, alebo o poruchu jediného chromozómu, ale o súhru pôsobenia viacerých (často mnohých) génov a viacerých (často mnohých) negenetických činiteľov: životný štýl, stravovacie návyky, fajčenie atď. Preto nečudo, že pred zmapovaním ľudského genómu chýbali akékoľvek možnosti spoznať genetický podklad komplexných ochorení na úrovni DNA a identifikovať jednotlivé zodpovedné gény.
Situácia sa začína meniť až v posledných rokoch. Obrovské medzinárodné tímy genetikov a klinikov zhromažďujú rozsiahle súbory pacientov s presne definovaným ochorením (často ide o tisíce jedincov) a porovnávajú ich DNA s DNA zdravých príslušníkov kontrolnej skupiny. Zatiaľ nie tak, že by DNA pacientov aj kontrol úplne sekvenovali – to je ešte stále mimo technických aj finančných možností – ale zameriavajú sa na niekoľko stotisíc úsekov DNA, o ktorých sa vie, že sú variabilné, teda že nie všetci ľudia sa v nich zhodujú. Medzi týmito státisícami sa hľadajú úseky, pri ktorých majú pacienti častejšie jeden konkrétny variant a zdraví jedinci iný variant. Väčšinou ide o úsek určitého génu, ktorý sa vlastne takýmto spôsobom podarí nájsť: jedného z mnohých spoluzodpovedných za študované ochorenie.
Zatiaľ sa ani u jedného komplexného ochorenia nepodarilo identifikovať všetky zúčastnené gény, ale pokrok je rýchly. Napríklad len vo februári tohto roku vyšlo šesť rozsiahlych štúdií, ktorých autori identifikovali dovedna deväť génov, podieľajúcich sa na vzniku infarktu myokardu a potvrdili predchádzajúce identifikácie piatich takýchto génov; pre každý však platí, že jeho individuálny „príspevok“ k vzniku ochorenia je veľmi malý, takže diagnosticky sa zatiaľ nedá využiť. (Stojí azda za zmienku, že jedna z týchto prác sa zakladá na vyšetrení 800 000 úsekov DNA u každého z vyše 12 000 pacientov s infarktom myokardu a u takmer 42 000 kontrol, a aj v ostatných štúdiách vyšetrené súbory tvoria tisícky pacientov.)
.liečba
Pravda, pacienta s genetickým ochorením problémy diagnostiky až tak veľmi nezaujímajú. On očakáva liečbu. A to nie hocijakú, ale takú, ktorá odstráni nielen príznaky ochorenia, ale aj jeho príčinu: poškodený gén či gény. Očakáva génovú terapiu.
Keď sa pred dvadsiatimi rokmi rodil projekt ľudského genómu, jednou z hlavných motivácií bola práve nádej, že projekt podstatne urýchli vývoj metód génovej terapie genetických a nádorových ochorení. Niet totiž pochybností, že podmienkou na vypracovanie účinných metód liečby tohto typu je práve znalosť ľudského genómu. Ukazuje sa však, že je to podmienka síce nutná, ale nepostačujúca.
Dodnes sa vo svete uskutočnilo približne 1 500 klinických skúšok rozličných foriem génovej terapie (z toho 95 % v USA a v Európe), no iba zopár z nich možno pokladať za ako-tak úspešné. Jeden z najúspešnejších, pri ktorom sa vnesením funkčného génu vyliečili detskí pacienti s geneticky podmienenou ťažkou formou nedostatočnosti imunitného systému, sa napokon skončil takmer katastrofou: dvaja vyliečení francúzski chlapci neskôr ochoreli na leukémiu, o ktorej sa zistilo, že bola priamym dôsledkom terapeutického postupu.
Leukémiu sa síce podarilo vyliečiť, ale optimizmus, ktorý dovtedy sprevádzal problematiku génovej terapie, sa vytratil, možno nadlho. Ešte v roku 2006 sa v celom svete začalo 116 nových klinických experimentov s génovou terapiu, v roku 2007 už len 89 a vlani len 56. Dnes prevláda názor, že na úspešné zvládnutie génovej terapie ešte čosi podstatné chýba: azda treba čakať na zásadný objav čohosi nového, o čom zatiaľ nikto netuší, čo to bude. Búrlivý rozvoj molekulárnej genetiky človeka, založený na poznatkoch, vyplývajúcich z projektu ľudského genómu, však poskytuje záruku, že sa tak stane. A exponenciálny rozvoj metód štúdia DNA vytvára reálne predpoklady, že to nepotrvá neúmerne dlho.
Autor je genetik
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.