1. Εξερεύνηση: Από τα Γονίδια στην Πολυπλοκότητα

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.