Het genoom interpreteren

De 12 prototypes zien eruit als geprefabriceerde kinderforten - dozen ter grootte van vriezers, bekleed met felrood plastic en gegroepeerd per twee of drie op een betonnen vloer bij Pacific Biosciences, een startup in Menlo Park, CA. Maar de eenvoudige buitenkant van de machines logenstraft de complexiteit van binnen. Elke doos bevat een kleine chip met duizenden DNA-strengen van bacteriën of virussen, elke streng in een putje van nanogrootte. Een enzym dat op de bodem van elk putje wordt geplakt, bouwt snel een overeenkomstige streng op, die de basen, of chemische subeenheden van DNA, aan elkaar rijgt, die goed passen bij die van het origineel. Elk van de vier soorten basen, weergegeven door de letters A, T, C en G, is gelabeld met een andere fluorescerende marker, die wordt geactiveerd door de reactie die een nieuwe base aan de streng hecht. Omdat de machine de reacties volgt terwijl ze plaatsvinden, kan het net zo snel stapels onbewerkte gegevens over de sequenties van de DNA-monsters produceren als een ingebouwde camera ze kan opnemen.

Supersnelle volgorde: Prototypemachines bij Pacific Biosciences worden getest met bacterieel DNA.

Een computermonitor die naast elke machine is geïnstalleerd, geeft een momentopname weer van de actie die plaatsvindt. Een reeks lichten verspreidt zich over het scherm en barst en vervaagt snel achter elkaar. Elke flits duurt slechts tientallen milliseconden, maar de kleur geeft aan welke van de vier basen zojuist aan een DNA-streng is toegevoegd, en de positie geeft aan waar. De video moet worden vertraagd om te kunnen worden bekeken: de flitsen komen te snel voor het menselijk oog om te verwerken. Computeralgoritmen zetten het patroon van flitsen om in DNA-sequenties van honderden tot duizenden basen lang. Aanvullende algoritmen vergelijken vervolgens miljoenen van deze stukken DNA, identificeren sequenties die elkaar aan hun uiteinden overlappen en passen de stukjes in elkaar om een ​​volledig genoom vast te leggen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2009

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Als het gaat om het sequencen van DNA, is tijd geld, en de commerciële machines van Pacific Biosciences, die in 2010 uitkomen, zouden de snelste ooit kunnen blijken te zijn. Het Human Genome Project kostte ongeveer $ 300 miljoen en 13 jaar om de volgorde van de drie miljard DNA-basenparen in een samengesteld menselijk genoom uit te werken, een taak die in 2003 werd voltooid. In oktober 2008 werden onderzoekers die verschillende nieuwe soorten machines gebruikten zeggen dat ze een individueel genoom konden sequencen voor minder dan $ 100.000; een bedrijf belooft volgend voorjaar een genoom van $ 5.000. En Pacific Biosciences voorspelt dat zijn machines in 2013 in staat zullen zijn om het genoom van een persoon in 15 minuten te sequensen, voor minder dan $ 1.000.

Tot nu toe hebben wetenschappers de genomen van een handvol mensen gesequenced, en dat heeft hen een algemeen gevoel van menselijke variabiliteit gegeven. Maar snelle, goedkope sequencing-technologie zou het praktisch kunnen maken om de genomen van duizenden, misschien wel miljoenen mensen te lezen. Door die ontelbare genomen te doorzoeken en specifieke DNA-sequenties te koppelen aan verschillende kenmerken - handigheid, lengte, bloeddruk en vatbaarheid voor angst, om er maar een paar te noemen - zouden wetenschappers in staat moeten zijn om het complexe samenspel van genetische varianten te ontrafelen dat elk individu uniek maakt. Het belangrijkste is dat dat soort sequentiecapaciteit eindelijk de erfelijke basis van veelvoorkomende ziekten zou kunnen onthullen - een raadsel dat genetici al tientallen jaren bespot.

Notitieboekje van de verslaggever : Emily Singer

De werkelijke impact op de geneeskunde is echter veel minder zeker en kan veel minder positief zijn. Al bijna twee decennia lang hebben onderzoekers beloofd dat de vooruitgang in de sequencing-technologie artsen in staat zal stellen om gepersonaliseerde geneeskunde te beoefenen, waarbij behandelingen op patiënten worden gericht op basis van hun genetische profielen. De veronderstelling was dat een beperkt aantal veelvoorkomende genetische varianten aan een bepaalde ziekte ten grondslag zou blijken te liggen en artsen medicijnen zouden kunnen voorschrijven volgens welke varianten hun patiënten bij zich hadden. Maar de meest recente gegevens suggereren dat zelfs de meest voorkomende erfelijke ziekten, zoals diabetes en hartaandoeningen, verband houden met veel verschillende varianten, die elk relatief zeldzaam zijn. Als dat waar is, kan het beoefenen van gepersonaliseerde geneeskunde erg ingewikkeld en erg duur worden. Het zou niet goed zijn om een ​​genoom van $ 5.000 en een analyse van $ 500.000 te hebben, zegt Francis Collins, de voormalige directeur van het National Human Genome Research Institute en een leider van het Human Genome Project.

Voorbij veelvoorkomende variaties
Genomische geneeskunde begon serieus in de jaren tachtig, toen wetenschappers genen identificeerden die verband hielden met ziekten zoals Duchenne-spierdystrofie en cystische fibrose. Beide zijn zogenaamde Mendeliaanse ziekten, wat betekent dat ze worden veroorzaakt door mutaties in een enkel gen; iedereen die één of twee exemplaren van het gemuteerde gen erft, afhankelijk van de ziekte, zal worden getroffen. In de afgelopen 20 jaar hebben onderzoekers genen geïdentificeerd voor een aantal Mendeliaanse aandoeningen, en screeningtests op basis van deze ontdekkingen hebben geleid tot eerdere diagnoses. In het geval van aandoeningen die zich alleen ontwikkelen wanneer een persoon twee exemplaren van de mutatie erft, kunnen de tests gezonde dragers identificeren, waardoor ze beter geïnformeerde beslissingen kunnen nemen over het krijgen van kinderen. Aandoeningen van één gen vormen echter een zeer klein percentage van de menselijke ziekten. Voor de meeste ziekten is het veel moeilijker om de genetische boosdoeners aan te wijzen.

Toen wetenschappers eind jaren negentig begonnen met het samenstellen van een ruwe schets van de genoomsequentie, ontdekten ze een nuttig fenomeen. Grote blokken DNA, ook wel haplotype-blokken genoemd, werden generaties lang intact doorgegeven. Verschillende versies van deze blokken, die waren gekoppeld aan de voorouderlijke oorsprong van een individu, hadden karakteristieke patronen van gemeenschappelijke genetische variaties die bekend staan ​​als single-nucleotide polymorphisms (SNP's), waarbij de genetische sequentie met slechts één DNA-letter varieert. Een veelbetekenende SNP zou dus kunnen dienen als een marker voor het omringende DNA. De ontdekking was een zegen voor genetici - als elk blok de neiging had om voor te komen in een beperkt aantal variëteiten binnen de menselijke populatie, zou het niet nodig zijn om elke base in het genoom te controleren op variaties die verband houden met veelvoorkomende ziekten zoals astma of schizofrenie. De aanwezigheid van een bepaalde SNP zou aangeven welk haplotypeblok een persoon droeg.

Onderzoekers ontwikkelden genetische microarrays die snel de aanwezigheid van deze gemeenschappelijke SNP's door het hele genoom konden detecteren; door te scannen op de veelbetekenende variaties, een relatief goedkoop proces, hebben de microarrays de grootste genomische studies tot nu toe mogelijk gemaakt. Wetenschappers hebben ze gebruikt om tienduizenden menselijke genomen efficiënt te doorzoeken op SNP's die vaker voorkomen bij mensen met bijvoorbeeld autisme of de ziekte van Alzheimer dan bij gezonde mensen. In de afgelopen twee jaar is er een stortvloed aan onderzoeken gepubliceerd, waarin meer dan 300 genetische variaties zijn geïdentificeerd die verband houden met een assortiment van gemeenschappelijke eigenschappen en ziekten.

Maar het vinden van deze variaties heeft niet geleid tot de doorbraak waarop sommige wetenschappers hadden gehoopt om de genetische basis van veel voorkomende ziekten te begrijpen. Dat komt omdat ze slechts een klein deel van het genetische risico voor veel ziekten blijken te vertegenwoordigen. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld 18 genen geïdentificeerd die verband houden met diabetes type 2 en er zijn tests geïntroduceerd om de variaties te identificeren. Toch blijven veel andere erfelijke risicofactoren voor de ziekte ongeïdentificeerd. Dat betekent dat de nieuwe tests een onvolledig beeld geven van hoe groot de kans is dat iemand diabetes ontwikkelt, waardoor het moeilijk is om ze te gebruiken om medische beslissingen op maat te maken. Er is weinig reden om aan te moedigen dat preventiestrategieën een revolutie teweeg kunnen brengen met wat we tot nu toe hebben ontdekt [op de genetische basis van veelvoorkomende ziekten], zegt David Goldstein, directeur van het Center for Population Genomics and Pharmacogenetics aan de Duke University in Durham, NC.

De jacht op SNP's is zinvol als het erfelijke risico op ziekten zoals diabetes type 2 het gevolg is van een combinatie van veel veelvoorkomende genetische variaties, die elk een klein effect hebben. Maar wat als dat slechts een deel van het verhaal is? Wat als andere, zeldzamere soorten genetische mutaties ook een rol spelen? Omdat microarrays zijn ontworpen om veelvoorkomende SNP's te detecteren, missen ze variaties die voorkomen bij minder dan 1 procent van de bevolking. Deze mutaties vormen de focus van een alternatieve hypothese, waarin - zoals in het Mendeliaanse model - individuele variaties met een hoge impact in hoge mate bijdragen aan een ziekte. Elk van de variaties kan volgens deze gedachte niet vaak voorkomen, maar als ze dezelfde of verwante biochemische routes beïnvloeden, kunnen ze vergelijkbare resultaten opleveren. Gezamenlijk kunnen ze een aandoening relatief vaak voorkomen.

Tot voor kort werd er slechts beperkt gezocht naar zeldzame varianten die verband houden met veelvoorkomende ziekten. Deze zoektocht kan inhouden dat elke letter van het DNA wordt doorzocht - iets dat alleen kan worden gedaan door te rangschikken. Met de oude technologie was dat te duur om praktisch te zijn. Maar met het oog op de teleurstellende resultaten van microarray-onderzoeken, wenden wetenschappers zich tot de snelle nieuwe sequencing-technologieën om de zeldzame-varianthypothese rigoureus te testen. Het is waarschijnlijk dat veel van de rest van de erfelijkheid [van ziekte] zich verbergt in zeldzame varianten met een hoge impact, zegt Collins. Als we de genomica van ziekten echt willen begrijpen, hebben we volledige genoomsequenties nodig.

Het is nog steeds onduidelijk hoeveel zeldzame variaties bijdragen aan ziekte, maar het bewijs begint binnen te druppelen. In een deze zomer gepubliceerde studie hebben biologen van de University of California, Berkeley, de sequentie bepaald van het gen voor een enzym genaamd MTHFR, dat de B-vitamine folaat omzet. (foliumzuur) van de ene vorm in de andere. Wetenschappers hadden eerder een veel voorkomende genetische variant geïdentificeerd die een verzwakte versie van het enzym produceert, waardoor het risico op geboorteafwijkingen en mogelijk op hartaandoeningen toeneemt. Door het MTHFR-gen te sequencen bij 564 mensen van verschillende etniciteiten, vonden Nick Marini en collega's vier nieuwe varianten die ook de functie van het enzym aantasten; aanwezig in minder dan 1 procent van de proefpersonen, zouden deze varianten niet detecteerbaar zijn geweest in microarray-onderzoeken.

Het persoonlijke genoom
Tijdens een recente conferentie in het eerbiedwaardige Cold Spring Harbor Laboratory op Long Island zat James Watson, mede-ontdekker van de structuur van DNA, onderuitgezakt op de eerste rij van het auditorium onder een groot portret van zichzelf. Watson, die een tijdlang leiding gaf aan het Human Genome Project, liet zijn genoom in 2007 in kaart brengen. Het was pas het tweede individuele genoom dat volledig in kaart werd gebracht. (Craig Venter, die de privé-inspanning leidde om het genoom te sequencen, gebruikte zijn eigen DNA als monster.)

Watson staat niet bekend om het bijwonen van opeenvolgende conferentiepresentaties. Maar een groot deel van deze conferentie ging over hem. Hij woonde talk na talk bij, terwijl wetenschappers hun analyses presenteerden van wat liefkozend bekend staat als Project Jim. Watson is een ogenschijnlijk gezonde 80-jarige man, en de resultaten van het onderzoeken van zijn genoom zijn tot nu toe vrij alledaags. Hij heeft extra kopieën van genetische variaties die in eerdere onderzoeken zijn getoond ter bescherming tegen bijvoorbeeld hartaandoeningen en maculaire degeneratie. Een aanvankelijk zorgwekkende mutatie in de BRCA1 gen, dat in verband wordt gebracht met borstkanker, onschadelijk bleek te zijn. Maar de overgrote meerderheid van het genoom van Watson blijft oninterpreteerbaar. Wetenschappers moeten nog een genetische component vinden voor zijn intelligentie of zijn nieuwsgierigheid of zijn neiging tot politiek incorrecte uitbarstingen. Misschien wel het belangrijkste voor Watson, het is nog niet duidelijk of hij een genetische kwetsbaarheid voor schizofrenie heeft die hij heeft doorgegeven aan zijn zoon, die de ziekte heeft.

De referentiesequentie van het Human Genome Project, die een samenstelling is van genetische informatie van meer dan 20 individuen, gaf wetenschappers een basisblauwdruk van het genoom. Maar een enkel genoom heeft zijn grenzen. Alleen door meerdere genomen te vergelijken, kunnen wetenschappers grip krijgen op de genetische variabiliteit die ten grondslag ligt aan de kwetsbaarheid voor ziekte of waanzin, de neiging tot atletisch vermogen of wiskundig genie, de drang naar altruïsme of agressie.

Zelfs Watson, die zijn hele carrière heeft geprobeerd DNA te begrijpen, lijkt niet onder de indruk van de details van zijn genoom. We zullen zien of het vijf minuten aan mijn levensduur toevoegt, merkte hij op tijdens de conferentie. Inderdaad, de betekenis van de meeste van zijn genetische eigenaardigheden zal een mysterie blijven totdat veel meer mensen zich bij hem aansluiten om hun genomen te laten sequensen.

De PGP10: De eerste 10 vrijwilligers in het Personal Genome Project laten momenteel de coderende regio's van hun genomen sequensen; een klein stukje sequentie wordt getoond voor degenen van wie de gegevens online zijn geplaatst. De sequentiegegevens worden opgeslagen in een openbare database, samen met de medische dossiers van de vrijwilligers en andere informatie, zoals hun gezichtsmorfologie (zoals gemeten door de voorhoofdsbanden). Wetenschappers zullen de database, die naar verwachting uiteindelijk 100.000 mensen zal bevatten, gebruiken om verbanden tussen genen en ziekten of andere kenmerken te zoeken.

Geneticus George Church, de geneticus van de Harvard Medical School, die sinds zijn promotieonderzoek aan Harvard in het begin van de jaren tachtig aan sequencingtechnologie heeft gewerkt, wil dat proces versnellen. Drie jaar geleden lanceerde de kerk het Personal Genome Project (PGP), dat de komende vijf jaar genetische en medische gegevens van duizenden mensen wil verzamelen. Het project geeft niet alleen de technische en wetenschappelijke uitdagingen aan die kunnen ontstaan ​​door grootschalige sequentiebepaling van menselijke genomen, maar ook de ethische kwesties.

In de pilotfase richt het project zich op 10 vrijwilligers, waaronder Church, Harvard-psycholoog Steven Pinker en ondernemer Esther Dyson. Om te beginnen zal het de coderende regio's van hun genomen sequensen - de 1 procent van het DNA dat de productie van eiwitten stuurt. Die informatie, samen met de medische geschiedenis van de deelnemers (inclusief receptregimes) en informatie over hun lengte, gewicht, handigheid en andere eigenschappen, zal worden gedeponeerd in een openbare database. Het team van Church hoopt dat deze database zal dienen als een bron voor wetenschappers, of zelfs voor leden van het publiek, die willen zoeken naar verbanden tussen specifieke genetische variaties en ziekten of andere eigenschappen.

De eerste reeks gegevens - die in oktober aan de deelnemers is vrijgegeven - verwijst naar zowel de belofte van sequencing als de huidige beperkingen van genetische analyse. John Halamka, CIO van de Harvard Medical School en nog een van de 10 oorspronkelijke vrijwilligers, vernam dat hij drager is van een mutatie voor de ziekte van Charcot Marie-Tooth, een erfelijke neurologische aandoening. Deze zeldzame variatie zou niet zijn gevonden met bestaande SNP-arrays. Maar aangezien Halamka de kindertijd ongedeerd heeft overleefd en er is aangetoond dat slechts drie andere mensen in de wereld die specifieke mutatie dragen, is het moeilijk om te weten welke impact het, indien van toepassing, op zijn gezondheid heeft gehad. Misschien dragen veel mensen de variatie zonder nadelige gevolgen, en is het verband tussen de ziekte en de mutatie overdreven. Of misschien heeft het gen een grotere impact dan verwacht, waardoor het risico op andere neurologische aandoeningen toeneemt. (Of, zoals George Church opmerkt, de bevinding kan gewoon een fout zijn.)

Hoe groter het aantal vermeldingen in de database, hoe gemakkelijker het is om een ​​bevinding als die van Halamka te begrijpen. En in april 2008 kreeg het team van Church toestemming van Harvard om het project uit te breiden van 10 naar 100.000 deelnemers. (De kerk is van plan langzaam op te schalen en het aantal proefpersonen elk jaar met 10 te vermenigvuldigen.) In deze volgende fase zullen zowel de technologie die wordt gebruikt om de genomen te sequensen als de strategieën die worden gebruikt om de resulterende gegevens te interpreteren, serieus worden getest. In november, toen het project ongeveer een jaar bezig was, hadden PGP-wetenschappers nog maar ongeveer een vijfde van de sequentie van de coderende regio's van de genomen van de oorspronkelijke vrijwilligers bereikt. (Church is van plan om de PGP uit te breiden naar het hele genoom zodra sequencing goedkoop genoeg wordt.) Als ze nog duizenden genomen willen sequensen, zal sequencing-technologie zo snel en robuust moeten worden als de kerk denkt dat het kan zijn.

Te veel informatie
Het gebruik van de gegevens uit het PGP zal op zichzelf al problemen opleveren. Eerst zullen Church en zijn team moeten uitzoeken wat de beste manier is om de grotere groep vrijwilligers hun resultaten te geven. De eerste 10 kregen een-op-een genetische counseling van Joseph Thakuria, de medisch directeur van het project en een klinisch geneticus aan de Harvard Medical School. Maar Thakuria zal de duizenden nieuwe onderwerpen niet kunnen begeleiden. Gezien het tekort aan genetici en genetisch adviseurs met de juiste opleiding, zal dat probleem vrijwel zeker veel breder worden herhaald naarmate persoonlijke genomica toegankelijker wordt.

Maar de grootste uitdaging in de volgende fase van de menselijke genomica is waarschijnlijk het interpreteren van de betekenis van de schijnbaar eindeloze reeks variaties die zal worden ontdekt. Individuele genetische veranderingen gebeuren bij toeval en sommige zijn ongevaarlijk. Anderen zijn toevallig gevaarlijk, verstoren een vitaal cellulair proces en verhogen het risico op ziekte. En sommige kunnen zelfs heilzaam zijn, bijvoorbeeld om de afbraak van gifstoffen te verbeteren en zo te beschermen tegen bepaalde kwalen. Maar het is vaak onmogelijk om te zeggen in welke klasse een variatie valt door er alleen maar naar te kijken. En aangezien nieuwe technologieën wetenschappers in staat stellen de genomen van grote aantallen mensen te sequensen, zal de lijst met bekende varianten snel groeien. Deze informatie zal lastig en problematisch zijn in termen van interpretatie, zegt James Evans, een professor in genetica en geneeskunde aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill. We hebben allemaal mutaties en veranderingen die we gewoon niet begrijpen. Zoals gewoonlijk zal de technologie vooruitlopen op ons vermogen om het te gebruiken.

De complexiteit van de nieuwe genomische informatie kan ook een obstakel zijn voor de gepersonaliseerde geneeskunde die gensequencing moest inluiden. Onderzoekers hebben gehoopt tests te maken die het risico van een individu op een specifieke ziekte voorspellen of onthullen welk medicijn waarschijnlijk het beste werkt voor hem of haar. Maar genetische tests die nieuw ontdekte variaties detecteren, zullen niet erg nuttig zijn totdat wetenschappers erachter kunnen komen wat die variaties betekenen. En als veel veelvoorkomende ziekten worden veroorzaakt door zeldzame varianten, zal de taak enorm zijn. Het begrijpen van risico's op basis van zeldzame varianten gaat ons jaren kosten, zegt Dietrich Stephan, oprichter en chief science officer van Navigenics, een startup voor personal genomics.

Sommige wetenschappers denken dat de echte waarde van genomics misschien helemaal niet in gepersonaliseerde geneeskunde ligt. Waar het echt de moeite zal zijn, zeggen ze, zal zijn in het verdiepen van ons begrip van ziekten en het helpen van onderzoekers bij het ontdekken van nieuwe doelen voor medicijnen. De primaire waarde van genetische mapping is niet het voorspellen van risico's, maar het bieden van nieuwe inzichten over ziektemechanismen, schreef David Altshuler, een arts en geneticus aan het Broad Institute in Cambridge, MA, in een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science. Altshuler wijst er zelfs op dat het identificeren van zelfs zeldzame genetische veranderingen een groot aantal patiënten kan helpen. Studies naar een erfelijke vorm van hoog cholesterol die bij minder dan 0,2 procent van de bevolking werd aangetroffen, leidden bijvoorbeeld tot de ontdekking van de lipoproteïne-receptor met lage dichtheid (LDL), die helpt om overtollig cholesterol uit de bloedbaan te verwijderen. Dat leidde op zijn beurt tot de ontwikkeling van de blockbuster-geneesmiddelen die bekend staan ​​​​als statines, cholesterolverlagende medicijnen die een toename van het aantal LDL-receptoren op de oppervlakken van levercellen veroorzaken.

Niemand weet wanneer de volgende blockbuster zal arriveren. Het maken van voorspellingen over de voordelen van genomica is net zo ondankbaar geworden als het proberen het ziekterisico zelf te voorspellen. En hoe gemakkelijker het wordt om een ​​genoom te sequensen, hoe moeilijker het wordt om de complexiteit te begrijpen die de sequenties onthullen. Zoals Collins het stelt, was The Human Genome Project misschien een eenvoudige onderneming in vergelijking met wat we hierna zullen zien.

Emily Singer is Technologie beoordeling 's senior biomedische redacteur.

zich verstoppen