Mis on inimese genoom?

Inimese genoom on täielik kogum geneetilisi juhiseid, mis on kodeeritud DNA-s. DNA koosneb neljast nukleotiiditüübist: adeniin (A), tümiin (T), tsütosiin (C) ja guaniin (G). Need nukleotiidid on paigutatud kindlasse järjestusse, mis koosneb enam kui kolmest miljardist aluspaari. Üheskoos talletavad need informatsiooni, mis on vajalik kõigi inimese kehas toimuvate bioloogiliste protsesside juhtimiseks, sealhulgas kasv, areng, ainevahetus ja reageerimine keskkonnale (Lander jt, 2001).

Desoksüribonukleiinhape (DNA) on organiseeritud struktuuridesse, mida nimetatakse kromosoomideks ja mis asuvad iga raku tuumas. Iga kromosoom sisaldab palju geene. Geen on kindlaks määratud nukleotiidide järjestus, mis tavaliselt kodeerib funktsionaalset produkti, enamasti valku. Valgud täidavad rakkudes mitmesuguseid olulisi ülesandeid, näiteks ehitavad rakustruktuure, katalüüsivad biokeemilisi reaktsioone ja edastavad signaale rakkude vahel.

Inimese genoomi projekti lõpuleviimine 2001. aastal andis esimese põhjaliku ülevaate inimese geneetilisest informatsioonist. Üks selle kõige ootamatumaid avastusi oli, et inimese genoomis on umbes 21 000 valke kodeerivat geeni. See arv on üllatavalt sarnane palju lihtsamate organismidega, näiteks ümarussiga Caenorhabditis elegans (Claverie, 2001). See avastus seadis kahtluse alla kaua valitsenud oletuse, et organismi keerukust määrab peamiselt valke kodeerivate geenide arv.

Selle tulemusena hakkasid teadlased uurima genoomi teisi bioloogilise keerukuse allikaid. Tähelepanu pöördus suure osa DNA poole, mis ei kodeeri valke. Neid piirkondi nimetatakse mittekodeerivaks DNA-ks ja need moodustavad suurema osa inimese genoomist. Kuigi need ei tooda otseselt valke, täidavad nad olulisi rolle geeniekspressiooni reguleerimisel ja genoomi struktuuri säilitamisel (ENCODE Project Consortium, 2007).

Mittekodeerivad piirkonnad hõlmavad laia valikut funktsionaalseid elemente. Nende hulgas on promootorid, mis tähistavad transkriptsiooni alguskohta; tugevdajad (enhancerid), mis suurendavad geeniekspressiooni taset; vaigistajad (silencerid), mis pärsivad transkriptsiooni; ja isolaatorid, mis kontrollivad regulatoorsete elementide ja geenide vahelisi interaktsioone. Lisaks sisaldab genoom erinevat tüüpi mittekodeerivaid RNA molekule, nagu pikad mittekodeerivad RNA-d (lncRNA-d) ja mikroRNA-d (miRNA-d). Need molekulid mõjutavad geenide regulatsiooni, mõjutades kromatiini struktuuri, RNA stabiilsust ja translatsiooni.

Valke kodeerivad geenid, regulatoorsed DNA elemendid ja mittekodeerivad RNA-d moodustavad üheskoos väga koordineeritud regulatoorse süsteemi. See süsteem võimaldab samal genoomil luua väga erinevaid rakutüüpe, nagu neuronid, lihasrakud ja immuunrakud, millest igal on oma spetsiifilised funktsioonid. Samuti võimaldab see rakkudel reageerida arengusignaalidele ja keskkonnamuutustele. Selle regulatoorse keerukuse mõistmine on fundamentaalne, et selgitada inimese arengut, kohanemist ja haigusi.

Mis on ENCODE projekt?

DNA elementide entsüklopeedia (ENCODE) projekt käivitati 2003. aastal Riikliku Inimese Genoomi Uurimisinstituudi (NHGRI) poolt. Selle peamine eesmärk on tuvastada ja iseloomustada kõik funktsionaalsed elemendid inimese genoomis, sealhulgas need, mis ei kodeeri valke (ENCODE Project Consortium, 2004).

Selle eesmärgi saavutamiseks kasutab ENCODE projekt laia valikut eksperimentaalseid ja arvutuslikke meetodeid. Nende hulka kuuluvad kromatiini immunopresipitatsioon koos järjestamisega (ChIP-seq), RNA järjestamine (RNA-seq) ja DNase I tundlike piirkondade järjestamine (DNase-seq). Need tehnoloogiad võimaldavad teadlastel uurida geeniekspressiooni, transkriptsioonifaktorite seondumist ja kromatiini ligipääsetavust paljudes erinevates inimese rakutüüpides (Landt et al., 2012; Djebali et al., 2012).

Projekt algas pilootfaasiga, mis keskendus umbes 1% inimese genoomile. See faas oli mõeldud eksperimentaalsete meetodite ja andmeanalüüsi strateegiate testimiseks. Pärast selle edukat läbimist laienes projekt kogu genoomile. ENCODE konsortsium lõi tuhandeid andmekogusid, mis kirjeldavad geene, transkripte, kromatiini struktuuri, transkriptsioonifaktorite seondumiskohti ja muid regulatiivseid tunnuseid.

Üks ENCODE projekti kõige olulisemaid avastusi on see, et suur osa inimese genoomist transkribeeritakse RNAks, kuigi ainult väike osa kodeerib valke. Teadlased tuvastasid tuhandeid regulatiivseid piirkondi, sealhulgas promootoreid, tugevdajaid ja isolaatoreid. Need elemendid mõjutavad geeniekspressiooni rakutüübispetsiifiliselt ning on tihedalt seotud kromatiini struktuuri ja histoonide modifikatsioonidega (Gerstein et al., 2012; Kundaje et al., 2012).

ENCODE projekt tõi esile ka mitte-kodeerivate RNAde tähtsuse. Tuvastati tuhandeid pikki mitte-kodeerivaid RNA-sid, millest paljudel näib olevat regulatiivne funktsioon. Need RNA-d avalduvad sageli spetsiifilistes kudedes ja mängivad rolli transkriptsiooni regulatsioonis, kromatiini ümberkujundamises ja RNA töötlemises (Djebali et al., 2012).

Lisaks näitas ENCODE uurimistöö, et paljud inimese haigustega seotud geneetilised variandid paiknevad mitte-kodeerivates regulatiivsetes piirkondades, mitte valke kodeerivates geenides. ENCODE andmete integreerimisel genoomi ulatuslike assotsiatsiooniuuringutega (GWAS) suutsid teadlased funktsionaalselt annoteerida paljusid haigustega seotud variante (Schaub et al., 2012; Boyle et al., 2012). See avastus on oluliselt parandanud meie arusaamist sellest, kuidas geeniregulatsiooni muutused mõjutavad inimese tervist ja haigusi.

Peamised avastused

ENCODE konsortsiumi poolt läbi viidud uuringud on näidanud, et suur osa inimese genoomist transkribeeritakse RNA-ks, kuigi vaid väike osa neist transkriptidest kodeerib valke. See avastus näitas, et transkriptsioon on palju ulatuslikum, kui varem arvati. On tuvastatud tuhandeid regulatoorseid piirkondi, sealhulgas promootorid, tugevdajad, vaigistajad ja isolaatorid. Need elemendid mõjutavad, millal ja kus geene ekspresseeritakse, ning toimivad sageli rakutüübispetsiifiliselt (Gerstein jt, 2012; Kundaje jt, 2012).

ENCODE projekt tõi esile ka kromatiini struktuuri olulisuse geenide regulatsioonis. Kromatiini organisatsioon, mida kujundavad histoonide modifikatsioonid ja DNA ligipääsetavus, määrab, kas regulatoorsed elemendid ja geenid saavad omavahel suhelda. Kromatiini seisundi muutused võivad aktiveerida või maha suruda geenide ekspressiooni, võimaldades rakkudel reageerida arengulistele signaalidele ja keskkonnamõjudele.

Teine ENCODE projekti suur avastus puudutab mitte-kodeerivaid RNA-sid. Teadlased tuvastasid tuhandeid pikki mitte-kodeerivaid RNA-sid, millel näib olevat regulatoorseid funktsioone. Need RNA-d avalduvad sageli spetsiifilistes kudedes ja arenguetappides ning võivad mõjutada transkriptsiooni, kromatiini ümberkujundamist ja RNA töötlemist (Djebali jt, 2012).

Lisaks näitasid ENCODE uuringud, et paljud inimese haigustega seotud geneetilised variandid paiknevad mitte-kodeerivates regulatoorsetes piirkondades, mitte valke kodeerivates geenides. ENCODE andmete integreerimisel genoomiüleste assotsiatsiooniuuringutega (GWAS) suutsid teadlased funktsionaalselt kirjeldada paljusid haigustega seotud variante. See avastus on oluliselt parandanud arusaamist sellest, kuidas muutused geenide regulatsioonis mõjutavad haigusriskide kujunemist (Schaub jt, 2012; Boyle jt, 2012).

ENCODE projekti asjakohasus

Genoomi funktsionaalsete elementide mõistmine on oluline selleks, et selgitada, kuidas geene reguleeritakse, kuidas rakud diferentseeruvad ja kuidas arenevad keerukad organismid. ENCODE projekt pakub avatud juurdepääsu kõrgekvaliteedilistele genoomiandmetele, muutes selle väärtuslikuks ressursiks nii teadustööks kui ka hariduseks (Rosenbloom jt, 2010).

Integrerides ENCODE andmeid teiste suuremahuliste genoomiandmekogudega, saavad teadlased uusi teadmisi keerukate haiguste, nagu vähk, diabeet ja neuroloogilised häired, molekulaarse aluse kohta. Funktsionaalsete variantide tuvastamine regulatiivsetes piirkondades võimaldab teadlastel luua täpsemaid geeniregulatsiooni mudeleid ning tuvastada potentsiaalseid sihtmärke meditsiiniliseks sekkumiseks.

Olulised sõnavaraüksused