چرا ژنوم انسان هرگز کامل نشد؟

قبل از پایان سال ۲۰۲۳ باید بتوانید ژنوم کامل انسان را بخوانید که داستانی از یک فرد خواهد بود؛ این‌که چه کسی است و از کجا آمده است و بینش‌هایی درمورد آینده او نیز ارائه خواهد داد. ژنوم کامل انسان احتمالا در نگاه اول چندان سرگرم‌کننده نیست و بسیار بسیار طولانی خواهد بود. اما انتشار آنلاین ژنوم کامل انسان بدون هیچ نقصی، لحظه‌ی بسیار مهمی خواهد بود.

در این مرحله ممکن است احساس کنید قبلا این موضوع را شنیده‌اید: ژنوم انسان سال‌ها پیش منتشر شد. آیا این کار کامل انجام نشده بود؟

درواقع، ژنوم انسان هرگز به‌طور کامل خوانده نشده بود. بی‌بی‌سی می‌نویسد، اولین پیش‌نویس ژنوم انسان در سال ۲۰۰۱ منتشر شد و سپس در سال ۲۰۰۳ گروهی از دانشمندان پروژه ژنوم انسان اعلام کردند این کار را کامل کرده‌اند. این توالی که از ترکیب تکه‌های DNA افراد مختلف تهیه شده بود، به توالی مرجعی تبدیل شد که می‌توان DNA انسان‌های دیگر را با آن مقایسه کرد.

تهیه ژنوم انسان ازطریق ترکیب اطلاعات ژنومی چندین فرد، بهترین کاری بود که در آن زمان دانشمندان می‌توانستند انجام دهند، اما نقایص و خطاهای قابل‌توجهی داشت. نسخه‌های بعدی ژنوم انسان بهبود پیدا کرد، اما بسیاری از مشکلات همچنان وجود داشت. فقط در چند سال اخیر فناوری به اندازه‌ای پیشرفت کرده است که می‌توان کل ژنوم انسان را بدون شکاف و با کمترین خطا خواند.

اما همه توالی‌های ژنوم انسان که تاکنون منتشر شده‌اند، ترکیبی بوده و از دی‌ای‌ای گرفته‌شده از چندین فرد استفاده می‌کند. امسال قرار است برای اولین‌بار کل ژنوم یک فرد (مردی به نام لئون پشکین) منتشر شود. این ژنوم انسانی کامل و واحد، دستاورد فنی به یادماندنی خواهد بود. تنها ۷۰ سال از زمانی می‌گذرد که به لطف تصویر سیاه و سفیدی که روزالیند فرانکلین تهیه کرد، ساختار مارپیچ مضاعف ای‌ان‌ای آشکار شد و درک دانشمندان را از نحوه ذخیره شدن اطلاعات ژنتیکی متحول کرد. امروزه ما توانایی خواندن کل کتاب ژنتیکی را داریم که موجب خصوصیات منحصر‌به‌فرد یک انسان می‌شود.

اما ژنتیک‌دانان پروژه می‌گویند این تازه شروع کار است. آن‌ها می‌خواهند ژنوم افرادی از سراسر جهان را توالی‌یابی کنند تا تصویری واقعی از تنوع ژنتیکی گونه انسان ایجاد کنند. آن‌ها قصد دارند دریابند که بخش‌هایی از دی‌ان‌ای که قبلا توالی‌یابی نشده است، چه کاری انجام می‌دهد. آن‌ها همچنین می‌خواهند توالی‌یابی کل ژنوم را در کلینیک‌ها رواج دهند تا به پزشکان در تشخیص و درمان بیماری‌ها کمک کنند.

به‌طور خلاصه، باید گفت ژنوم انسان هرگز کامل نخواهد شد و ما هرگز خواندن آن را به پایان نمی‌رسانیم.

پروژه اصلی ژنوم انسان (HGP) یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های علمی بود که با هزینه حدود ۳ میلیارد دلار انجام شد. هدف این پروژه که سال ۱۹۹۰ آغاز شد، خواندن کل دی‌ان‌ای بود که انسان عادی در سلول‌های خود حمل می‌کند. اولین پیش‌نویس توالی کمی بیش از یک دهه بعد منتشر شد. در سال ۲۰۰۱ به‌طور همزمان نسخه دیگری از ژنوم انسان توسط شرکت سلرا ژنومیکس منتشر شد.

ژنوم انسان با وعده‌های فراوانی همراه بود. به کمک ژنوم انسان، متوجه می‌شویم که ژن‌ها خصوصا ژن‌هایی که در بیمار‌ی‌ها نقش دارند، چه کاری انجام می‌دهند. این امر پزشکی شخصی را امکان‌پذیر می‌کند که در آن درمان‌هایی را دریافت می‌کنیم که براساس ترکیب ژنتیکی ما طراحی شده‌اند.

ژنوم کامل انسان همچنین بینش‌هایی درمورد منشأ تکاملی ما فراهم می‌کند: اینکه دقیقا چه تفاوتی با نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده خود یعنی شامپانزه‌ها و بونوبوها داریم؟

برخی از این وعده‌ها اتفاق افتاده است و برخی هنوز تحقق پیدا نکرده است. دانش ما از عملکرد بسیاری از ژن‌ها و نقش‌های آن‌ها در بیماری‌های مختلف از سرطان سینه گرفته تا اسکیزوفرنی افزایش پیدا کرده است. اگرچه، بیشتر بیماری‌ها تحت‌تاثیر صدها ژن قرار می‌گیرند، بنابراین هنوز با پزشکی ژنومی فاصله زیادی داریم.

تعداد کمی از بیماری‌های ارثی توسط یک ژن معیوب ایجاد می‌شوند و استفاده از غربالگری ژنتیکی برای تشخیص افرادی که درمعرض خطر بیماری‌های نادر هستند، تا حد زیادی فقط برای افرادی که خطر آن‌ها بالا است، استفاده می‌شود.

ژنتیک درک ما را از تکامل انسان نیز تغییر داده است. به‌عنوان مثال، نشان داده است که اجداد ما با انسان‌تباران دیگری مانند نئاندرتال‌ها تلاقی داشته‌اند.

در همین حین، در پس‌زمینه‌ی تلاش دانشمندان برای ارائه ژنوم کامل انسان، این واقعیت ناخوشایند نهفته است که ژنوم انسان هرگز واقعا کامل نشده است. درحالی‌که متخصصان ژنتیک از زمان انتشار اولین پیش‌نویس آن را اصلاح می‌کنند (آخرین‌بار در فوریه ۲۰۲۲ اصلاح شد)، قسمت‌هایی از ژنوم هنوز دردسترس قرار ندارند.

یکی از مشکلاتی که وجود دارد، این است که بخش‌هایی از دی‌ان‌ای به شدت تکراری است. در بخش‌های خاصی از ژنوم، توالی‌های یکسانی بارها و بارها و گاهی به طول هزاران بار تکرار می‌شود.

دی‌ان‌ای تکراری اغلب در قطعات مشابهی از ژنوم ظاهر می‌شود. دی‌ان‌ای ما در قالب طناب طولانی به هم پیوسته‌ای ذخیره نشده است، بلکه به قطعات کوچک‌تری به نام کروموزوم تقسیم می‌شود.

کروموزوم‌ها شکلی شبیه X دارند (به‌جز کروموزوم Y شکلی که توسط مردان حمل می‌شود) و ۲۳ جفت از آن‌ها در سلول‌های انسان وجود دارد. هریک از کروموزوم‌ها در انتهای چهار بازوی خود (تلومر) و در تقاطع مرکزی (سانترومر) دارای دی‌ان‌ای تکراری است و هر دوی این‌ها مهم هستند.

تلومرها به‌عنوان کلاهک‌های محافظ عمل می‌کنند و آسیب دیدن آن‌ها با پیری ارتباط دارد. در همین حین، سانترومرها برای فرایند تقسیم سلولی مهم هستند که زیربنای رشد و تولیدمثل است. سازماندهی مجدد دی‌ان‌ای در سانترومرها در ایجاد برخی از سرطان‌ها نقش دارد.

پروژه ژنوم انسان نتوانست دی‌ان‌ای تکراری را توالی‌یابی کند و تلاشی هم در این راستا نکرد. روش آن‌ها نمی‌توانست این چالش را رفع کند. آن‌ها کل ژنوم را به یکباره نخواندند، بلکه آن را به قطعات کوچکی به طول چند صد باز تقسیم کردند و آن‌ها را خواندند و سپس توالی‌ها را با استفاده از کامپیوتر در کنار هم قرار دادند. این روش برای بخش‌های تکراری کارآمد نیست، زیرا کامپیوتر نمی‌داند آن بخش‌ها با چه ترتیبی در کنار هم قرار می‌گیرند. آدام فیلیپی، رئیس بخش انفورماتیک ژنوم در مؤسسه ملی تحقیقات ژنوم انسان در مریلند می‌گوید: «هشت درصد از نسخه‌ای که سال ۲۰۰۳ رسما تکمیل شد، وجود نداشت.»

بنابراین، دی‌ان‌ای تکراری ما به مدت ۲۰ سال تقریبا به‌طور کامل خوانده نشده بود. سپس در سال ۲۰۲۱ فیلیپی و همکارانش اعلام کردند همه آن را خوانده‌اند.

کنسرسیوم تلومر تا تلومر (T2T) پروژه بزرگ و معروفی با پشتوانه میلیاردها دلار نبود. کارن میگا، ژنتیکدانی در دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز می‌گوید: «این واقعا یک تلاش عمومی بود که طی دنیاگیری انجام شد. به چشم بسیاری از کارشناسان ژنومیک، ما از ناکجا آباد ظاهر شدیم.»

ایوان ایشلر، استاد علوم ژنوم در دانشگاه واشنگتن در سیاتل می‌گوید پیشرفت کلیدی، توانایی خواندن دقیق بخش‌های طولانی‌ از دی‌ان‌ای بود. پیش‌از‌این، فناوری‌های دارای توانایی خواندن توالی‌های طولانی‌ توسعه پیدا کرده بود، اما تا این اواخر به اندازه کافی دقیق نبودند. بنابراین، بهبود دقت این فناوری‌ها پیشرفتی کلیدی بود. همچنین توانایی خواندن توالی‌هایی که بیش از ۱۰۰ هزار باز را شامل می‌شدند، پیشرفت مهمی بود.

اولین موفقیت بزرگ T2T در ژوئیه ۲۰۲۰ وقتی به دست آمد که پژوهشگران این پروژه توالی کامل کروموزوم X را منتشر کردند. در آن زمان، بهترین توالی موجود از کروموزوم X دارای ۲۹ شکاف بود و تیم T2T کل شکاف‌ها را پر کرد. سال بعد، آن‌ها توالی کامل کروموزوم شماره ۸ را منتشر کردند. در سال ۲۰۲۱، آن‌ها همچنین پیش‌چاپی باعنوان «توالی کامل یک ژنوم انسان» را منتشر کردند که در آن ۸ درصد توالی گمشده را پرکرده بودند.

اما هنوز ژنوم انسان به‌طور کامل خوانده نشده بود. ایشلر می‌گوید تیم از ترفند کوچکی استفاده کرده بود که برخی آن را تقلب نامیدند.

بیشتر سلول‌های بدن ما دارای دو نسخه از هر کروموزوم هستند: یکی از مادر و دیگری از پدر. این امر کنار هم قراردادن توالی‌ها را در کامپیوتر دشوارتر می‌کند، زیرا دو نسخه‌ی مذکور، تفاوت بسیار اندکی با هم دارند. برای رفع این مشکل، T2T از سلول‌های غیرعادی استفاده کرد که دو نسخه از دی‌ان‌ای پدری را دارند که تقریبا یکسان هستند. سلول‌های مذکور حاصل مول هیداتی‌فرم (بارداری مولار یا بچه‌خوره) بودند که نوعی بارداری ناموفق است.

تخمک‌ها و اسپرم‌ها فقط یک نسخه از هر کروموزوم دارند، بنابراین وقتی اسپرم تخمکی را بارور می‌کند، رویان حاصل دو نسخه دارد. اگرچه گاهی اوقات تخمک دی‌ان‌ای خود را از دست می‌دهد و سپس بارور می‌شود. سپس سلول تخمک که دی‌ان‌ای خود را از دست داده است، دی‌ان‌ای اسپرم را تکثیر می‌کند. مول هیداتی‌فرم ضایعات خطرناکی را تشکیل می‌دهد که تاحدودی شبیه سرطان هستند و باید برداشته شوند. این همان چیزی بود که T2T توالی‌یابی کرده بود. به باور برخی از پژوهشگران، آن‌ها فقط نیمی از ژنوم را خوانده بودند، زیرا ژنوم کامل از هر توالی خاصی دو نسخه دارد. اگرچه درمجموع توالی آن‌ها پیشرفت آشکاری نسبت‌به توالی‌های گذشته بود و بیش از ۲۰۰ میلیون حرف و دو هزار ژن را به ژنوم انسان اضافه کرد.

میگا می‌گوید داشتن ژنوم کامل به این معنا است که باید درنهایت بتوان دریافت بخش‌های تکراری دی‌ان‌ای چه کاری انجام می‌دهند. او می‌گوید: «اکنون این نقشه‌ها را داریم، بسیار هیجان‌زده‌ام که می‌دانم در این نواحی چه توالی‌های قرار دارند. اما عملکرد اصلی آن‌ها چیست؟ و اگر در این مناطق مشکلی وجود داشته باشد، چگونه می‌تواند به درک ما از بیماری‌های انسان و سلامت انسان کمک کند؟»

دی‌ان‌ای تکراری شامل توالی‌هایی زیادی است که می‌توانند در ژنوم جا‌به‌جا شوند و به آن‌ها «دی‌ان‌ای متحرک» گفته می‌شود. راشل اونیل، متخصص ژنتیک مولکولی در دانشگاه کِنه‌تیکت در استورس می‌گوید: «بسیاری از این عناصر در تکامل اخیر ما نقش داشته اند. بسیاری از جهش‌های تکاملی ازجمله جفت، از دست دادن دم و برخی عملکردهای مغزی را می‌توان به این نوع دی‌ان‌ای محرک نسبت داد.»

در همین حین، ایشلر به مضاعف‌شدگی‌ها اشاره می‌کند که در آن بخش‌های طولانی از دی‌ان‌ای که می‌توانند شامل چندین ژن باشند، به‌طور یکجا مضاعف می‌شوند. این توالی‌ها می‌توانند با سرعت غیرعادی تکامل پیدا کنند. ایشلر می‌گوید: «نتیجه‌ی این پدیده ظهور ژن‌های جدیدی است که مختص انسان‌ها هستند. این ژن‌ها به‌طور نامتناسبی در تفاوت‌هایی که ما را انسان می‌سازد، نقش دارند.»

درحالی‌که ژنوم انسان و شامپانزه ۹۹ درصد یکسان است، مضاعف‌شدگی‌ها یکی از راه‌هایی است که ازطریق آن، بین ما و شامپانزه‌ها تفاوت‌های مهمی می‌تواند ایجاد شود. ژنوم انسانی که در ابتدا منتشر شد، تا حد زیادی فاقد این توالی‌های مضاعف‌شده بود.

دانشمندان علوم اعصاب نشان داده‌اند برخی از ژن‌های مضاعف‌شده در عملکرد مغز مهم هستند. اما ژنتیک‌دانان نمی‌توانستند آن‌ها را به‌طور دقیق بررسی کنند، زیرا در تکرارهایی قرار داشتند که در ژنوم‌های قدیمی‌تر نیامده بود.

توالی T2T درنهایت در شماره ویژه‌ای از مجله ساینس در مارس ۲۰۲۲ منتشر شد. اما در آن زمان تیم درحال حرکت به جلو بود.

شکاف بزرگ باقی مانده کروموزوم Y بود که فقط در مردان وجود دارد. اسپرم معمولا فقط یک کروموزوم جنسی (یا یک کروموزوم X یا یک کروموزوم Y) را با خود حمل می‌کند. از‌آنجایی که دی‌ان‌ای مول هیداتی‌فرم مورد استفاده توسط T2T از اسپرمی می‌آمد که حاوی یک کروموزوم X بود، کروموزوم Y توالی‌یابی نشد. تیم برای پایان کار خود به اهداکننده مرد نیاز داشتند و بنابراین از پشکین استفاده کردند.

پشکین، زیست‌شناس سامانه‌ها در دانشکده پزشکی هاروارد در بوستون ماساچوست است. بسیاری از پژوهش‌های او روی درک مکانیسم‌های پیری و نحوه کند کردن آن‌ها تمرکز دارد. او معتقد است که طول عمر انسان محدودیتی ندارد و می‌توان آن را افزایش داد. ژنومیک بخش بزرگی از کار او است. پشکین دی‌ان‌ای خود را به تعدادی از پروژه‌های توالی‌یابی بزرگ اهدا کرده است.

اولین اهدای پشکین به پروژه Personal Genome بود که سال ۲۰۱۵ راه‌اندازی شد. هدف این پروژه جلب داوطلبانی بود که مایل بودند دی‌ان‌ای خود را به‌طور عمومی به اشتراک بگذارند تا امکان انجام پژوهش‌های سریع و موثرتر را فراهم کنند و همچنین به ترس درمورد سوء‌استفاده احتمالی از داده‌های ژنومی غلبه کنند.

یک دهه بعد دی‌ان‌ای پشکین دوباره توسط پروژه GIAB مورد استفاده قرار گرفت. هدف این پروژه توال‌یابی ژنوم رده‌های سلولی بود که بتوانند به‌طور نامحدود در آزمایشگاه رشد داده شوند و مطالعه اثرات جهش‌ها را آسان‌تر کنند. ژنوم پشکین مطلوب بود، زیرا او والدین خود را نیز در پروژه ثبت‌نام کرده بود و اطلاعات مادر، پدر و پسر را در اختیار آن‌ها قرار می‌داد.

پشکین از انتخاب‌های خود پشیمان نیست، اگرچه به پیامد ناخوشایندی اشاره می‌کند. او می‌گوید: نمی‌توانم به آزمایشگاه‌هایی بروم که با سلول‌های من کار می‌کنند، زیرا اگر سلول‌های نامیرای من به طریقی وارد بدن من شوند، سیستم ایمنی من آن‌ها را تشخیص نخواهد داد و این احتمال وجود دارد که سیستم ایمنی به شدت فعال شود و وضعیت خطرناکی پیش آید.» او خوشحال است که دی‌ان‌ای او دوباره توسط T2T و این بار به‌طور کامل توالی‌یابی می‌شود.

در دسامبر ۲۰۲۲، T2T مقاله پیش‌چاپ دیگری منتشر کرد که توالی کامل کروموزوم Y پشکین را توصیف می‌کرد. از‌آن‌جا که این کروموزوم دارای تکرارها و پیچیدگی‌های زیادی است، بیش از نیمی از کروموزوم در ژنوم‌های گذشته وجود نداشت. توالی جدید بیش از ۳۰ میلیون حرف شامل ده‌ها ژن را اضافه کرد.

این تیم اکنون درحال کار روی ژنوم کامل پشکین ازجمله هر دو نسخه از هر کدام از کروموزوم‌ها است. فیلیپی می‌گوید توالی‌یابی و بازسازی آن را به پایان رسانده‌ایم.

ژنوم حاصل کامل و بدون نقص است و مضاعف‌شدگی‌ها را درنظر می‌گیرد. تنها چیزی که باقی می‌ماند، بررسی است. فیلیپی می‌گوید خطاهای انگشت‌شماری وجود دارد که می‌توانیم آن‌ها را بررسی کنیم. او می‌گوید ژنوم نهایی آن‌ها امسال باید منتشر شود.

آیا ژنوم انسان امسال کامل می‌شود؟ پاسخ منفی است، زیرا ژنوم انسانی واحدی وجود ندارد. دی‌ان‌ای هر فرد متفاوت است و این تفاوت‌ها مهم است. ما واقعا ژنوم را درک نخواهیم کرد، مگراینکه سابقه‌ای از تفاوت‌های آن بین جمعیت‌های مختلف داشته باشیم.

پروژه ابتدایی HGP سعی کرد تا با گرفتن نمونه خود از چند نفر که همه از نیویورک بودند، این مشکل را رفع کند. توالی که منتشر شد، ترکیبی از همه آن‌ها بود. درواقع، آن‌ها سعی کردند ژنوم متوسطی را ارائه دهند، اما یک شهر آمریکا نمی‌تواند طیف کامل تنوع ژنتیکی انسانی را نشان دهد. به همین دلیل است که بسیاری از اعضای کنسرسیوم T2T در پروژه دیگری نیز ثبت نام کرده‌اند: Human Pangenome Reference Consortium. هدف این پروژه توالی‌یابی ژنوم صدها نفر از سراسر جهان است.

ژنوم‌های پروژه مذکور کامل نخواهند بود، زیرا در ازای استفاده از روش‌های خودکار که به آن‌ها اجازه می‌دهد افراد بیشتری را وارد مطالعه کنند، مقداری از کامل بودن را از دست می‌دهند. در ژوئیه ۲۰۲۲ تیم پیش‌چاپی را منتشر کرد که ۴۷ ژنوم توالی‌یابی‌شده را توصیف می‌کرد که آن را با هم ترکیب کرده بودند تا یک «پان‌ژنوم» پیش‌نویس ایجاد کنند.

آن‌ها اکنون درحال مشارکت با پژوهشگرانی از سراسر جهان هستند. ایشلر می‌گوید: «نمی‌خواهیم این کار به صورت انحصاری و در یک مکان انجام شود. فکر می‌کنم بهتر است ژنوم‌ها را خصوصا از جمعیت‌هایی داشته باشیم که تنوع ژنتیکی آن‌ها را به‌خوبی شناسایی نکرده‌ایم و این کار در جوامع خودشان و توسط مردم خودشان انجام شود.»

تلاش پان‌ژنوم درحال‌حاضر حاصل داشته است. فیلیپی یکی از نویسندگان مطالعه‌ای است که در ژانویه منتشر شد و مکانیسمی را برای نوعی ناهنجاری ژنتیکی شناسایی کرده بود. حدود یک نوزاد از هر هزار نوزاد دارای جابه‌جایی رابرتسونی هستند که در آن دو کروموزوم با هم ترکیب می‌شوند. اگر ماده ژنتیکی از بین نرود، سلامت فرد تحت‌تأثیر قرار نمی‌گیرد، اما درمواردی می‌تواند منجر به شرایطی مانند سندرم داون شود.

به‌نظر می‌رسد توالی حفظ‌شده‌ای از دی‌ان‌ای وجود دارد (یعنی توالی که در بین گونه‌های مختلف مشابه است) که روی چندین کروموزوم دیده می‌شود. این امر می‌تواند مکانیسم‌های سلولی نسخه‌برداری از دی‌ان‌ای را سردرگم کند و موجب ترکیب شدن کروموزوم‌ها شود. توالی حیاتی مذکور در منطقه‌ای قرار دارد که هم تکراری است و هم بین افراد مختلف تنوع بالایی دارد، بنابراین بدون داشتن چندین ژنوم کامل نمی‌توان آن را مطالعه کرد.

چنین یافته‌هایی توضیح می‌دهند که چرا بسیاری از پژوهشگران پروژه می‌خواهند در بیمارستان‌ها نیز تعیین توالی کامل ژنوم انجام شود. فیلیپی می‌گوید: «هدف نهایی من این است که بتوانیم ژنوم‌های T2T را در کلینیک‌ها برای هر بیماری تکرار کنیم. روش‌شناسی که توسعه داده‌ایم، در همین راستا است.» هزینه توالی‌یابی ژنوم برای چندین دهه به طور چشمگیری کاهش یافته است، به‌طوری‌که هزینه پروژه T2T خیلی کمتر از هزینه‌ی HGP اصلی بود.

واضح است که هنوز دانش زیادی می‌توانیم از ژنوم خود به دست آوریم. همان‌طور که تکنیک‌های جدید اسرار بیشتری از ژنوم را آشکار می‌کنند و امکان توالی‌یابی ژنوم‌های بیشتری را فراهم می‌کنند، نقطه پایانی در افق دیده نمی‌شود. اونیل می‌گوید: «تا زمانی که انسان وجود داشته باشد، پروژه ژنوم انسان نیز ادامه خواهد داشت.»