Ακριβώς είκοσι χρόνια πριν, τον Φεβρουάριο 2001, προσδιορίστηκε για πρώτη φορά σχεδόν ολόκληρη η αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος, μέσα από δύο παρόμοιες δημοσιεύσεις στα περιοδικά Nature και Science. Έκτοτε ξεκίνησε μια νέα εποχή στην έρευνα και στην ιατρική. Το «Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος» αποτελεί, αδιαμφισβήτητα, ένα από τα πιο σπουδαία επιστημονικά επιτεύγματα στην ιστορία του ανθρώπου.
Σε αντίθεση με την προσπάθεια εξερεύνησης του διαστήματος, αυτή τη φορά η επιστημονική κοινότητα έστρεψε το βλέμμα στο εσωτερικό των ανθρώπινων κυττάρων. Μέσα από ένα συναρπαστικό ταξίδι ανακαλύψεων και εφευρέσεων, σε χρονικό διάστημα λίγων μόνο ετών, ερευνήτριες και ερευνητές από όλο τον κόσμο, κατόρθωσαν να προσδιορίσουν τη δομή του ανθρώπινου γονιδιώματος, αποκαλύπτοντας την αλληλουχία των 3 δισεκατομμυρίων βάσεων του και φέρνοντας στο φως τις γενετικές πληροφορίες που απαρτίζουν έναν ανθρώπινο οργανισμό.
Η ταχύτατη ανάπτυξη της γονιδιωματικής, του επιστημονικού πεδίου που έχει ως αντικείμενο τη μελέτη του γενετικού υλικού των κυττάρων ενός οργανισμού (ή αλλιώς του γονιδιώματος) έχει αλλάξει ριζικά τον τρόπο που αντιμετωπίζονται οι ασθένειες και έχει εμπλουτίσει τη γνώση όχι μόνο για τον άνθρωπο αλλά και για όλα τα έμβια όντα. Κομβικό σημείο αποτέλεσε η χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος, ο προσδιορισμός, δηλαδή, της αλληλουχίας του γενετικού υλικού και ο εντοπισμός της θέσης όλων των γονιδίων σε αυτό, που πραγματοποιήθηκε με το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος.
Οι στόχοι του Προγράμματος του Ανθρώπινου Γονιδιώματος
Κάθε κύτταρο περιέχει τις οδηγίες που αφορούν τη δομή και τη λειτουργία του. Αυτές οι οδηγίες αντιγράφονται πιστά καθώς διαιρούνται τα κύτταρα και μεταβιβάζονται από γενιά σε γενιά. Οι οδηγίες είναι κωδικοποιημένες στο γενετικό υλικό, που στην περίπτωση των ανθρώπων είναι το DNA. To DNA που εμπεριέχεται σε συγκεκριμένες δομές, τα χρωμοσώματα, αποτελείται από ένα «αλφάβητο» τεσσάρων μόνο γραμμάτων. Το κάθε «γράμμα» αντιστοιχεί σε μία χημική ένωση που ονομάζεται αζωτούχος βάση. Οι αζωτούχες βάσεις είναι η αδενίνη (adenine, A), η κυτοσίνη (cytosine, C), η γουανίνη (guanine, G) και η θυμίνη (thymine, T). Οι τέσσερις βάσεις διαδέχονται η μία την άλλη σε διάφορους συνδυασμούς, σε συγκεκριμένη σειρά (ή αλλιώς αλληλουχία) και έτσι προκύπτει η αλυσίδα του DNA. Κομμάτια του γενετικού υλικού αποτελούν τα γονίδια. Κάθε γονίδιο είναι συνήθως υπεύθυνο για την παραγωγή μιας πρωτεΐνης. Επομένως η σύνθεση των πρωτεϊνών, που αποτελούν τα δομικά και λειτουργικά εργαλεία του κυττάρων, καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα αντίστοιχα γονίδια.
Πριν το Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος δεν ήταν γνωστή η αλληλουχία του ανθρώπινου γενετικού υλικού παρά μόνο για ελάχιστα γονίδια. Ο βασικότερος στόχος του εγχειρήματος ήταν ο προσδιορισμός της αλληλουχίας όλων των βάσεων που συνθέτουν το DNA του ανθρώπου. Εξίσου σημαντικοί στόχοι ήταν η δημιουργία ενός «χάρτη» του ανθρώπινου γονιδιώματος στον οποίο θα προσδιορίζεται η θέση και η αλληλουχία όλων των γονιδίων και η ανάδειξη της γενετικής ποικιλομορφίας που χαρακτηρίζει τους ανθρώπους. Ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του γονιδιώματος οργανισμών που χρησιμοποιούνται ευρέως στη μοριακή βιολογία και γενετική, όπως το βακτήριο Escherichia coli ή η μύγα Drosophila melanogaster, ήταν επίσης μέρος της όλης προσπάθειας.
Για την επίτευξη των προαναφερθέντων στόχων θεωρήθηκε αναγκαία η βελτίωση της διαθέσιμης τεχνολογίας για την ανάλυση του DNA και για τη διαχείριση του τεράστιου όγκου των δεδομένων που θα προέκυπταν από την αλληλούχιση των περίπου 3 δισεκατομμυρίων βάσεων του. Το DNA απομονώθηκε από τα κύτταρα μεγάλου αριθμού δοτών, κόπηκε σε διάφορα σημεία και πολλαπλασιάστηκε ή κλωνοποιήθηκε. Δύο ειδών μηχανήματα, βελτιωμένα ένζυμα και φθορίζουσες χρωστικές χρησιμοποιήθηκαν για την αλληλούχιση του. Τα μεγάλα τεχνολογικά επιτεύγματα που προέκυψαν, όπως ρομποτικά συστήματα, ειδικός εργαστηριακός εξοπλισμός και λογισμικά ανάλυσης των αποτελεσμάτων, επέτρεψαν την αύξηση της ακρίβειας και ταυτόχρονα την εντυπωσιακή μείωση του απαιτούμενου χρόνου και του κόστους.
Τα γεγονότα- σταθμοί στην ιστορία του Προγράμματος
Ήδη από τον Μάιο του 1985 ξεκίνησαν οι συζητήσεις στην ακαδημαϊκή κοινότητα, κυρίως μεγάλων πανεπιστημίων των ΗΠΑ, για την ανάγκη αλληλούχισης του ανθρώπινου γονιδιώματος και για το πως θα μπορούσε κάτι τέτοιο να επιτευχθεί. Ένα χρόνο μετά, σε επιστημονική συνάντηση στην πόλη Σάντα Φε στο Νέο Μεξικό, στην οποία συμμετείχε το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, εκτιμήθηκε το κόστος του προγράμματος, οι στόχοι και οι τρόποι υλοποίησής του, η ωφελιμότητά του και ο χρόνος αποπεράτωσής του. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ήταν άλλωστε επιφορτισμένο με την διερεύνηση των επιπτώσεων των μεταλλάξεων που προκλήθηκαν από τη ραδιενέργεια στους επιζώντες από τη ρίψη ατομικής βόμβας στη Χιροσίμα και το Νιγκασάκι. Για συμβεί αυτό, έπρεπε πρώτα να προσδιοριστεί η αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος.
Τα επόμενα χρόνια ιδρύθηκαν οι φορείς που θα οργάνωναν το μεγαλεπήβολο σχέδιο και στελεχώθηκαν με επιφανείς επιστήμονες από πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα των ΗΠΑ. Τον Απρίλιο του 1990 το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ δημοσίευσαν ένα σχέδιο που αφορούσε την πρώτη πενταετία, από ένα εγχείρημα που θεωρούσαν ότι θα διαρκέσει τουλάχιστον 15 χρόνια. Το εγχείρημα ξεκίνησε επίσημα την 1η Οκτωβρίου 1990. Πολύ σύντομα απέκτησε διεθνή χαρακτήρα καθώς ενεπλάκησαν περισσότερα από είκοσι εργαστήρια και ερευνητικά κέντρα πανεπιστημίων από άλλες χώρες εκτός των ΗΠΑ, όπως η Αγγλία, η Γαλλία, η Γερμανία, η Ιταλία, η Ιαπωνία, η Ισπανία, ο Καναδάς και η Κίνα. Σύμφωνα με πολλούς αποτελεί τη μεγαλύτερη διεθνή συνεργασία επιστημονικών φορέων στην ιστορία των βιοϊατρικών επιστημών. Το 1998 η εταιρία Celera Genomics ξεκίνησε ένα παράλληλο πρόγραμμα χαρτογράφησης του ανθρώπινου γονιδιώματος και αποτέλεσε τον πρώτο και μοναδικό εκπρόσωπο του ιδιωτικού τομέα που συμμετείχε στο εγχείρημα, έχοντας ως σκοπό την εμπορευματοποίηση της παραγώμενης γνώσης μέσα από την κατοχύρωση διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας (πατεντών).
Τον Σεπτέμβρη 1994 δημοσιεύτηκε ο πρώτος «γενετικός χάρτης σύνδεσης». Ο χάρτης αυτός απεικονίζει τη σχετική σειρά και τα διαστήματα ανάμεσα σε συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA που είναι κατανεμημένες στα χρωμοσώματα. Αποτέλεσε το βασικό εργαλείο των ερευνητών προκειμένου να συσχετίσουν γονίδια με συγκεκριμένα νοσήματα. Ακριβώς ένα χρόνο μετά επετεύχθη ένας ακόμα πολύ σημαντικός στόχος: δημιουργήθηκε ένας χάρτης με αλληλουχίες που χρησιμοποιήθηκαν ως σκελετός πάνω στον οποίο προστέθηκαν τα αποτελέσματα των επόμενων πειραμάτων, έτσι ώστε να συναρμολογηθεί εν τέλει ολόκληρη η αλληλουχία του ανθρώπινου DNA. Το 1996 οι επικεφαλής του προγράμματος, στο πλαίσιο διεθνούς συνεδρίου που διεξήχθη στις Βερμούδες, αποφάσισαν ότι όλη η γενετική πληροφορία που θα προκύψει από το πρόγραμμα θα είναι δημόσια, διαθέσιμη για όλους, μέσα σε είκοσι τέσσερις ώρες από την στιγμή που θα παραχθεί από τα κέντρα αλληλούχισης. To 1998 δημοσιεύτηκε νέο πενταετές πλάνο στο οποίο διατυπώθηκαν ηθικά, νομικά και κοινωνικά ζητήματα που απορρέουν από τη χρήση των δεδομένων που προκύπτουν από την αλληλούχιση και τέθηκαν συγκεκριμένοι κανόνες για τη συλλογή, την αποθήκευση και την ανάλυσή τους.
Τον Δεκέμβριο 1999 δημοσιεύτηκε η αλληλουχία ενός ολόκληρου ανθρώπινου χρωμοσώματος για πρώτη φορά. Διεθνής ερευνητική ομάδα από εργαστήρια και ερευνητικά κέντρα που συμμετείχαν στο εγχείρημα κατόρθωσε να προσδιορίσει την αλληλουχία των 33,5 εκατομμυρίων βάσεων που αποτελούν το DNA του χρωμοσώματος 22. Το ενδιαφέρον στράφηκε πρώτα σε αυτό το χρωμόσωμα, εξαιτίας του μικρού μεγέθους του σε σχέση με τα άλλα και της συσχέτισής του με αρκετές ασθένειες.
Στις 12 Φεβρουαρίου 2001 η διεθνής κοινοπραξία για την αλληλούχιση του ανθρώπινου γονιδιώματος, που είχε αναλάβει τον συντονισμό της όλης προσπάθειας, ανακοίνωσε τη δημοσίευση στο περιοδικό Nature ενός προσχεδίου που αφορούσε την αλληλούχιση ολόκληρου του ανθρώπινου γονιδιώματος. Πολύτιμες πληροφορίες και συμπεράσματα προέκυψαν από τη συγκεκριμένη δημοσίευση. Ο αριθμός των γονιδίων υπολογίστηκε αρχικά σε περίπου 35,000 ενώ εκτιμήθηκε ότι δύο άνθρωποι έχουν ομοιότητα στην αλληλουχία του γενετικού τους υλικού κατά 99,9%. Στις 14 Απριλίου 2003 η ίδια κοινοπραξία ανακοίνωσε την επιτυχημένη ολοκλήρωση του προγράμματος, περισσότερα από δύο χρόνια νωρίτερα σε σχέση με τον προγραμματισμό. Καθώς η τεχνολογία εξελισσόταν, η αλληλουχία του γενετικού υλικού του ανθρώπου και άλλων οργανισμών εξακολούθησε να επικαιροποιείται και να δημοσιεύεται σε δημόσιες βάσεις δεδομένων, ανοιχτές και προσβάσιμες σε όλους. Παρά την επιθυμία διάφορων εταιριών που δραστηριοποιούνταν στο χώρο της βιοτεχνολογίας για την ύπαρξη αποκλειστικών δικαιωμάτων εμπορικής εκμετάλλευσης σπουδαίων ανακαλύψεων που αφορούν γονίδια που σχετίζονται με νόσους, όπως το BRCA1 και BRCA2 που σχετίζονται με τον καρκίνο του μαστού και των ωοθηκών, τα δεδομένα που προέκυψαν από το πρόγραμμα και οι σχετικές δημοσιεύσεις παραμένουν διαθέσιμα χωρίς χρέωση στο διαδίκτυο.
Ένα εγχείρημα επικών διαστάσεων με σημαντικές επιπτώσεις
Τα αποτελέσματα του Προγράμματος του Ανθρώπινου Γονιδιώματος είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για πολλούς κλάδους των βιοϊατρικών επιστημών. Για πρώτη φορά έγινε γνωστή η θέση των γονιδίων και άρχισε να γίνεται κατανοητός ο τρόπος που ρυθμίζεται η έκφρασή τους που οδηγεί στην σύνθεση των πρωτεϊνών. Διαπιστώθηκε ότι το μεγαλύτερο μέρος του γονιδιώματος δεν αντιστοιχεί σε γονίδια ενώ εντοπίστηκαν αλληλουχίες που επαναλαμβάνονται πολλές φορές. Με τη σύγκριση των γονιδιωμάτων του ανθρώπου με αυτό άλλων οργανισμών έγινε σαφές ότι ο αριθμός των γονιδίων δεν σχετίζεται με το μέγεθος ή την πολυπλοκότητα του οργανισμού. Εξαιρετικά χρήσιμα συμπεράσματα προέκυψαν σχετικά με τις διαφορές στην αλληλουχία του DNA και για το πως αυτές οδηγούν σε κληρονομικές ασθένειες. Έτσι έγινε εφικτή η προκλινική διάγνωση και ο προγεννητικός έλεγχος για πολλά κληρονομικά νοσήματα. Παράλληλα προσδιορίστηκαν γενετικοί παράγοντες που σχετίζονται με την γενετική προδιάθεση στα πολυγονιδιακά νοσήματα έτσι ώστε να μειώνεται ο κίνδυνος εκδήλωσης του νοσήματος και να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή πρόληψη.
Η έννοια της εξατομικευμένης ιατρικής άρχισε να λαμβάνει σάρκα και οστά αφού έκτοτε άρχισαν να αναπτύσσονται θεραπείες και κατάλληλα φάρμακα ανάλογα με το γενετικό υπόβαθρο των ασθενών. Έτσι η θεραπευτική αντιμετώπιση των ασθενών παύει να είναι γενικευμένη και ίδια στους ασθενείς που πάσχουν από μια ασθένεια, αλλά λαμβάνονται υπόψη τα μοναδικά γενετικά χαρακτηριστικά του κάθε ανθρώπου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η κυστική ίνωση, ένα γενετικό νόσημα για το οποίο υπάρχουν, πλέον, φάρμακα που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες παθολογικές αλλαγές στο γονίδιο που σχετίζεται με την εκδήλωση της νόσου. Με τη χρήση αυτών των εξειδικευμένων φαρμάκων το προσδόκιμο επιβίωσης και η ποιότητα ζωής των ασθενών έχουν βελτιωθεί σε εντυπωσιακό βαθμό.
Με το Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος αναπτύχθηκαν ραγδαία οι μεθοδολογίες και ο εργαστηριακός εξοπλισμός. Έτσι η αλληλούχιση του DNA έγινε σιγά σιγά μεθοδολογία ρουτίνας καθώς μειώθηκε πολύ το κόστος και ο απαιτούμενος χρόνος της πειραματικής διαδικασίας. Η τεχνολογία που αναπτύχθηκε για την αλληλούχιση του γενετικού υλικού επέτρεψε όχι μόνο τον προσδιορισμό της αλληλουχίας του γενετικού υλικού του ανθρώπου αλλά και πολλών άλλων οργανισμών. Επίσης, πολλά εντυπωσιακά συμπεράσματα προέκυψαν σχετικά με την εξέλιξη διάφορων οργανισμών στον πλανήτη μας αλλά και για την ύπαρξη ζωής σε ακραία περιβάλλοντα.
Σύμφωνα με πολλούς γενετιστές, η τεχνολογία ανάλυσης του γονιδιώματος θα βελτιωθεί τόσο πολύ ώστε ο προσδιορισμός ολόκληρης της αλληλουχίας του DNA ενός ανθρώπου θα αποτελεί σύντομα μια διαδικασία ρουτίνας για τα ερευνητικά και διαγνωστικά εργαστήρια. Θα πραγματοποιείται σε σύντομο χρονικό διάστημα και με μικρό κόστος, όπως γίνονται σήμερα πολλές πειραματικές διαδικασίες που κάποτε φάνταζαν αδιανόητες, όπως η εξαγωγή γενετικού υλικού από κύτταρα και ιστούς και ο in vitro πολλαπλασιασμός του.
Το Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος έμελλε να χαράξει το δρόμο για τις σπουδαίες ανακαλύψεις που ακολούθησαν για έναν εξίσου σημαντικό λόγο. Οι βασικές αρχές του προγράμματος, που συντέλεσαν αδιαμφισβήτητα στην επιτυχία του, εξασφάλισαν την ελεύθερη πρόσβαση στα δεδομένα όλης της επιστημονικής κοινότητας. Αποτελώντας σημείο αναφοράς πυροδότησαν σημαντικές εξελίξεις σε πολλά επιστημονικά πεδία και επιτάχυναν σε μεγάλο βαθμό την παραγώμενη γνώση.
Πηγές: www.genome.gov, www.nature.com
