Studiul acizilor nucleici a început cu descoperirea structurii ADN-ului în 1953, urmată de munca de cercetare ce a dus la descoperirea mecanismului de replicare a ADN-ului și a procesului complex prin care ADN-ului este exprimat în celule sub formă de proteine. Apoi studiul acizilor nucleici a progresat spre studiul genelor și fragmentelor mici, pentru ca, în prezent, să ajungă în mare vogă domeniul genomicii. Genomica se ocupă cu studiul genomurilor in întregimea lor, adică setul lor complet de gene, secvența și organizarea lor nucleotidică, și interacțiunile lor în cadrul unei specii sau cu alte specii. Progresele în genomică au fost posibile datorită tehnologiei de secvențiere a ADN-ului. Așa cum tehnologia informației a produs Google Maps, care furnizează utilizatorilor informații detaliate despre numeroase locații de pe glob, așa și informațiile genomice sunt folosite pentru a crea hărți ale ADN-ului diferitelor organisme.
Maparea genomului
Maparea sau cartografierea genomului este procesul de identificare a locației fiecărei gene de pe fiecare cromozom. Hărțile astfel create sunt comparabile cu hărțile pe care le folosim pentru a naviga pe străzi.
O hartă genetică a unui cromozom este o ilustrare grafică a genelor acestuia împreună cu locațiile lor. Hărțile genetice oferă o imagine de ansamblu (similar cu o hartă a autostrăzilor interstatale) și utilizează markeri genetici (similari cu reperele). Un marker genetic este o genă sau o secvență de gene de pe un cromozom care prezintă o legătură genetică cu o trăsătură de interes. Markerul genetic tinde să fie moștenit împreună cu gena de interes și o măsură a distanței dintre ele este frecvența de recombinare pe durata meiozei, aceasta fiind tipul de diviziune celulară ce permite formarea celulelor reproducătoare. Acest tip de analiză a fost numit de primii geneticieni analiză a legăturii genetice.
Hărțile fizice furnizează detaliile intime ale regiunilor mai mici ale cromozomilor (similar cu o hartă rutieră detaliată). O hartă fizică a unui cromozom este o reprezentare a distanței fizice, exprimată în număr de nucleotide, între gene sau markeri genetici. Pentru a construi o imagine completă a genomului, sunt necesare ambele tipuri de hărți – genetice și fizice (Figura 15.1).
Figura 15.1: (sus) Harta fizică a cromozomului X uman (credit: modificare a unei lucrări produsă de NCBI, NIH); (jos) Maparea genomului (credit: National Human Genome Research Institute).
Cunoașterea hărții complete a genomului ușurează considerabil munca cercetătorilor care se ocupă cu studierea genelor individuale. Hărțile unor genomuri umane îi ajută pe cercetători în eforturile lor de a identifica genele cauzatoare de boli umane precum cancerul, bolile de inimă și fibroza chistică, pentru a numi doar câteva.
În plus, maparea genomului poate fi utilizată pentru identificarea organismelor care posedă trăsături benefice pentru mediul înconjurător, cum ar fi microbii care au capacitatea de a curăța mediul de poluanți sau chiar de a preveni poluarea. Cercetările asociate cu maparea genomurilor plantelor pot conduce la metode de creștere a recoltelor unor culturi sau de dezvoltare a unor plante mai bine adaptate schimbărilor climatice.
Hărțile genetice conturează imaginea genomului iar hărțile fizice oferă detaliile specifice de la nivelul fiecărui cromozom. Este ușor de înțeles de ce ambele tehnici de mapare a genomului sunt importante pentru a prezenta imaginea de ansamblu a acestuia. Pentru un studiu cuprinzător al genomului, informațiile obținute prin fiecare tehnică de mapare trebuie combinate. Laboratoarele de cercetare care se ocupă cu maparea genomică se folosesc de așa-zisele organisme model. Maparea genomului este în prezent un proces în plină desfășurare și, pe măsură ce se dezvoltă tehnici mai avansate, se așteaptă progrese însemnate. Maparea genomului este similară cu finalizarea unui puzzle complicat, folosind fiecare piesă de date disponibilă.
Informațiile de mapare obținute în laboratoare din întreaga lume sunt introduse în niște baze de date centrale precum Centrul Național pentru Informații despre Biotehnologie (NCBI). În prezent se fac eforturi însemnate pentru a ușura accesul la aceste date al cercetătorilor și al publicului larg. În același mod în care se folosesc sistemele de poziționare globală pentru a naviga pe șosele și drumuri, se pot folosi, în locul hărților de hârtie, instrumentele de vizualizare a genomului puse la dispoziția utilizatorilor de către NCBI, care, în plus, pot fi folosite și pentru extragerea de date.
Secvențierea întregului genom
Deși în ultimii ani s-au înregistrat progrese semnificative în domeniul științelor medicale, există în continuare întrebări fără răspuns în legătură cu mai multe boli și, pentru a le găsi răspunsul, cercetătorii se folosesc de secvențierea întregului genom. Secvențierea întregului genom este procesul prin care se determină secvența ADN a unui întreg genom. Acest proces reprezintă o abordare de forță atunci când există suspiciunea că originea unei boli are o componentă genetică. În prezent, există laboratoare care oferă servicii de secvențiere, analiză și interpretare a întregului genom al unui individ.
Secvențierea întregului genom a fost utilizată în 2010 pentru a salva un băiat al cărui intestin avea multiple abcese misterioase. Băiatul a fost supus mai multor operații de colon fără a se observa după acestea o îmbunătățire a condiției lui. Secvențierea întregului lui genom a scos la iveală un defect pe un traseu care controlează apoptoza (moartea celulară programată). Pentru a rezolva acest defect genetic, doctorii i-au efectuat băiatului. un transplant de măduvă osoasă, ceea ce a dus, în sfârșit, la remedierea condiției lui. Acest tânăr a fost prima persoană diagnosticată cu succes pe baza secvențierii întregului său genom.
Primele genomuri secvențiate integral au fost niște genomuri mici ca număr de nucleotide (sau cel puțin mai mici decât genomurile organismelor pluricelulare): viruși, bacterii și ciuperca de drojdie. În prezent sunt cunoscute în întregime genomurile următoarelor organisme model: șoarecele (Mus musculus), musculița de oțet (Drosophila melanogaster) și nematodul (Caenorhabditis elegans).
O mare parte a cercetării fundamentale se efectuează în organisme model deoarece informațiile obținute de la acestea pot fi aplicate apoi altor organisme. Un organism model este o specie care este studiată drept model pentru a înțelege unele procese biologice ale altor specii, și anume specii care pot fi reprezentate de organismul model. De exemplu, deoarece musculițele de oțet sunt capabile să metabolizeze alcoolul la fel ca oamenii, genele care afectează sensibilitatea lor la alcool au fost studiate cu scopul de a înțelege variația sensibilității la alcool a omului.
Secvențierea întregului genom al organismelor model ajută enorm munca de cercetare. Secvența integrală a primului genom uman a fost publicată în 2003. Numărul genomurilor secvențiate în întregime crește constant și în prezent cuprinde sute de specii și mii de genomuri umane individuale.