Τι είναι το ανθρώπινο γονιδίωμα;

Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελεί το πλήρες σύνολο των γενετικών οδηγιών που είναι κωδικοποιημένες στο DNA. Το DNA αποτελείται από τέσσερις τύπους νουκλεοτιδίων: αδενίνη (A), θυμίνη (T), κυτοσίνη (C) και γουανίνη (G). Αυτά τα νουκλεοτίδια είναι διατεταγμένα σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία που ξεπερνά τα τρία δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Μαζί, αποθηκεύουν τις πληροφορίες που απαιτούνται για να κατευθύνουν όλες τις βιολογικές διεργασίες στο ανθρώπινο σώμα, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης, της ωρίμανσης, του μεταβολισμού και της αντίδρασης στο περιβάλλον (Lander et al., 2001).

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) οργανώνεται σε δομές που ονομάζονται χρωμοσώματα, τα οποία βρίσκονται στη πυρήνα κάθε κυττάρου. Κάθε χρωμόσωμα περιέχει πολλά γονίδια. Ένα γονίδιο είναι μια καθορισμένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων που συνήθως κωδικοποιεί ένα λειτουργικό προϊόν, πιο συχνά μια πρωτεΐνη. Οι πρωτεΐνες εκτελούν ένα ευρύ φάσμα βασικών λειτουργιών στα κύτταρα, όπως η δημιουργία κυτταρικών δομών, η καταλυτική δράση σε βιοχημικές αντιδράσεις και η μετάδοση σημάτων μεταξύ των κυττάρων.

Η ολοκλήρωση του Προγράμματος Ανθρώπινου Γονιδιώματος το 2001 παρείχε την πρώτη ολοκληρωμένη επισκόπηση της ανθρώπινης γενετικής πληροφορίας. Ένα από τα πιο απροσδόκητα ευρήματά του ήταν ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου 21.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Αυτός ο sopρός αριθμός είναι εκπληκτικά παρόμοιος με εκείνον πολύ απλούστερων οργανισμών, όπως το νηματώδες σκουλήκι Caenorhabditis elegans (Claverie, 2001). Αυτή η ανακάλυψη αμφισβήτησε την μακροχρόνια υπόθεση ότι η πολυπλοκότητα ενός οργανισμού καθορίζεται κυρίως από τον αριθμό των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες.

Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν άλλες πηγές βιολογικής πολυπλοκότητας μέσα στο γονιδίωμα. Η προσοχή στράφηκε προς το μεγάλο ποσοστό του DNA που δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Αυτές οι περιοχές, γνωστές ως μη κωδικοποιητικό DNA, αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου γονιδιώματος. Αν και δεν παράγουν άμεσα πρωτεΐνες, διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης και στη διατήρηση της δομής του γονιδιώματος (ENCODE Project Consortium, 2007).

Οι μη κωδικοποιητικές περιοχές περιλαμβάνουν ένα most ευρύ φάσμα λειτουργικών στοιχείων. Μεταξύ αυτών είναι οι προαγωγείς, που σηματοδοτούν το σημείο έναρξης της μεταγραφής· οι ενισχυτές, που αυξάνουν το επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης· οι σιγαστήρες, που καταστέλλουν τη μεταγραφή· και οι μονωτές, που ελέγχουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ρυθμιστικών στοιχείων και γονιδίων. Επιπλέον, το γονιδίωμα περιέχει διάφορους τύπους μη κωδικοποιητικών μορίων RNA, όπως τα μακρά μη κωδικοποιητικά RNA (lncRNAs) και τα μικροRNA (miRNAs). Αυτά τα μόρια επηρεάζουν τη ρύθμιση των γονιδίων επηρεάζοντας τη δομή της χρωματίνης, τη σταθερότητα του RNA και τη μετάφραση.

Μαζί, τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, τα ρυθμιστικά στοιχεία του DNA και τα μη sop κωδικοποιητικά RNA σχηματίζουν ένα άκρως συντονισμένο ρυθμιστικό σύστημα. Αυτό το σύστημα επιτρέπει στο ίδιο γονιδίωμα να παράγει μια μεγάλη ποικιλία κυτταρικών τύπων, όπως νευρώνες, μυϊκά κύτταρα και ανοσοκύτταρα, το καθένα με διακριτές λειτουργίες. Επιπλέον, επιτρέπει στα κύτταρα να ανταποκρίνονται σε sop σήματα ανάπτυξης και σε περιβαλλοντικές αλλαγές. Η κατανόηση αυτής της ρυθμιστικής πολυπλοκότητας είναι θεμελιώδης για την ερμηνεία της ανθρώπινης ανάπτυξης, προσαρμογής και ασθένειας.

Τι είναι το Έργο ENCODE;

Το έργο Εγκυκλοπαίδεια Στοιχείων DNA (ENCODE) ξεκίνησε το 2003 από το Εθνικό Ινστιτούτο Έρευνας του Ανθρώπινου Γονιδιώματος (NHGRI). Ο κύριος στόχος του είναι να εντοπίσει και να χαρακτηρίσει όλα τα λειτουργικά στοιχεία στο ανθρώπινο γονιδίωμα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες (ENCODE Project Consortium, 2004).

Για να επιτύχει αυτόν τον στόχο, το έργο ENCODE χρησιμοποιεί μια ευρεία γκάμα πειραματικών και υπολογιστικών μεθόδων. Αυτές περιλαμβάνουν την ανοσοκατακρήμνιση χρωματίνης ακολουθούμενη από αλληλούχιση (ChIP-seq), αλληλούχιση RNA (RNA-seq) και αλληλούχιση περιοχών ευαισθησίας στη DNase I (DNase-seq). Αυτές οι τεχνολογίες επιτρέπουν στους επιστήμονες να μελετούν την έκφραση γονιδίων, τη δέσμευση παραγόντων μεταγραφής και την προσβασιμότητα της χρωματίνης σε πολλούς διαφορετικούς τύπους ανθρώπινων κυττάρων (Landt et al., 2012; Djebali et al., 2012).

Το έργο ξεκίνησε με μια πιλοτική φάση που επικεντρώθηκε περίπου στο 1% του ανθρώπινου γονιδιώματος. Αυτή η φάση σχεδιάστηκε για να δοκιμάσει πειραματικές μεθόδους και στρατηγικές ανάλυσης δεδομένων. Μετά την επιτυχία της, το έργο επεκτάθηκε για να καλύψει ολόκληρο το γονιδίωμα. Το Consortium ENCODE δημιούργησε χιλιάδες σύνολα δεδομένων που περιγράφουν γονίδια, μεταγραφές, δομή χρωματίνης, θέσεις δέσμευσης παραγόντων μεταγραφής και άλλα ρυθμιστικά χαρακτηριστικά.

Μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις του έργου ENCODE είναι ότι ένα μεγάλο ποσοστό του ανθρώπινου γονιδιώματος μεταγράφεται σε RNA, παρόλο που μόνο ένα μικρό μέρος κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Οι ερευνητές εντόπισαν χιλιάδες ρυθμιστικές περιοχές, συμπεριλαμβανομένων προαγωγών, ενισχυτών και μονωτών. Αυτά τα στοιχεία επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων με τρόπο που εξαρτάται από τον τύπο του κυττάρου και συνδέονται στενά με τη δομή της χρωματίνης και τις τροποποιήσεις των ιστονών (Gerstein et al., 2012; Kundaje et al., 2012).

Το έργο ENCODE ανέδειξε επίσης τη σημασία των μη κωδικοποιητικών RNA. Εντοπίστηκαν χιλιάδες μακρά μη κωδικοποιητικά RNA, πολλά από τα οποία φαίνεται να έχουν ρυθμιστικές λειτουργίες. Αυτά τα RNA συχνά εκφράζονται σε συγκεκριμένους ιστούς και παίζουν ρόλο στη ρύθμιση της μεταγραφής, την αναδιαμόρφωση της χρωματίνης και την επεξεργασία του RNA (Djebali et al., 2012).

Επιπλέον, η έρευνα ENCODE έδειξε ότι πολλές γενετικές παραλλαγές που σχετίζονται με ανθρώπινες ασθένειες βρίσκονται σε μη κωδικοποιητικές ρυθμιστικές περιοχές και όχι μέσα σε γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Ενσωματώνοντας τα δεδομένα ENCODE με μελέτες συσχέτισης σε όλο το γονιδίωμα (GWAS), οι επιστήμονες κατάφεραν να σχολιάσουν λειτουργικά πολλές παραλλαγές που σχετίζονται με ασθένειες (Schaub et al., 2012; Boyle et al., 2012). Αυτό το εύρημα έχει βελτιώσει σημαντικά την κατανόησή μας για το πώς οι αλλαγές στη ρύθμιση των γονιδίων συμβάλλουν στην ανθρώπινη υγεία και ασθένεια.

Κύριες Ανακαλύψεις

Έρευνες που πραγματοποιήθηκαν από το ENCODE Consortium έδειξαν ότι ένα μεγάλο ποσοστό του ανθρώπινου γονιδιώματος μεταγράφεται σε RNA, παρόλο που μόνο ένα μικρό μέρος αυτών των μεταγραφών κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Αυτή η ανακάλυψη αποκάλυψε ότι η μεταγραφή είναι πολύ πιο εκτεταμένη από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. Έχουν εντοπιστεί χιλιάδες ρυθμιστικές περιοχές, συμπεριλαμβανομένων προαγωγών, ενισχυτών, σιγαστών και μονωτών. Αυτά τα στοιχεία επηρεάζουν το πότε και πού εκφράζονται τα γονίδια και συχνά λειτουργούν με τρόπο που εξαρτάται από τον τύπο του κυττάρου (Gerstein et al., 2012; Kundaje et al., 2012).

Το ENCODE Project ανέδειξε επίσης τη σημασία της δομής της χρωματίνης στη ρύθμιση των γονιδίων. Η οργάνωση της χρωματίνης, η οποία διαμορφώνεται από τροποποιήσεις των ιστονών και την προσβασιμότητα του DNA, καθορίζει αν τα ρυθμιστικά στοιχεία και τα γονίδια μπορούν να αλληλεπιδράσουν. Αλλαγές στην κατάσταση της χρωματίνης μπορούν να ενεργοποιήσουν ή να καταστείλουν την έκφραση των γονιδίων, επιτρέποντας στα κύτταρα να ανταποκρίνονται σε αναπτυξιακά σήματα και περιβαλλοντικά ερεθίσματα.

Μια άλλη σημαντική ανακάλυψη του ENCODE Project αφορά τα μη κωδικοποιητικά RNAs. Οι ερευνητές εντόπισαν χιλιάδες μακρά μη κωδικοποιητικά RNAs που φαίνεται να έχουν ρυθμιστικές λειτουργίες. Αυτά τα RNAs συχνά εκφράζονται σε συγκεκριμένους ιστούς και στάδια ανάπτυξης και μπορούν να επηρεάσουν τη μεταγραφή, την αναδιαμόρφωση της χρωματίνης και την επεξεργασία του RNA (Djebali et al., 2012).

Επιπλέον, η έρευνα του ENCODE έδειξε ότι πολλές γενετικές παραλλαγές που σχετίζονται με ανθρώπινες ασθένειες βρίσκονται σε μη κωδικοποιητικές ρυθμιστικές περιοχές και όχι εντός γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Με την ενσωμάτωση δεδομένων του ENCODE με μελέτες συσχέτισης σε όλο το γονιδίωμα (GWAS), οι επιστήμονες κατάφεραν να σχολιάσουν λειτουργικά πολλές παραλλαγές που σχετίζονται με ασθένειες. Αυτή η ανακάλυψη έχει βελτιώσει σημαντικά την κατανόηση του πώς οι αλλαγές στη ρύθμιση των γονιδίων συμβάλλουν στον κίνδυνο εμφάνισης ασθενειών (Schaub et al., 2012; Boyle et al., 2012).

Σημασία του Έργου ENCODE

Η κατανόηση των λειτουργικών στοιχείων του γονιδιώματος είναι απαραίτητη για την εξήγηση του τρόπου ρύθμισης των γονιδίων, της διαφοροποίησης των κυττάρων και της ανάπτυξης των πολύπλοκων οργανισμών. Το Πρόγραμμα ENCODE παρέχει ανοιχτή πρόσβαση σε δεδομένα γονιδιώματος υψηλής ποιότητας, καθιστώντας το ένα πολύτιμο εργαλείο τόσο για την έρευνα όσο και για την εκπαίδευση (Rosenbloom et al., 2010).

Ενσωματώνοντας τα δεδομένα του ENCODE με άλλα μεγάλης κλίμακας γονιδιωματικά σύνολα δεδομένων, οι ερευνητές αποκτούν νέες γνώσεις για τη μοριακή βάση σύνθετων ασθενειών όπως ο καρκίνος, ο διαβήτης και οι νευρολογικές διαταραχές. Η ταυτοποίηση λειτουργικών παραλλαγών σε ρυθμιστικές περιοχές επιτρέπει στους επιστήμονες να αναπτύσσουν ακριβέστερα μοντέλα ρύθμισης των γονιδίων και να εντοπίζουν πιθανούς στόχους για ιατρική παρέμβαση.

Βασικό Λεξιλόγιο