تحديد الجينوم البشري بالكامل

كشف العلماء أخيرا أنه تم تحديد الجينوم البشري بالكامل، بعد 20 عاما من إنتاج المسودة الأولى.

ونشر الباحثون تسلسلا خاليا من الفجوات لما يقرب من 3 مليارات قاعدة (أو “أحرف”) DNA لشخص واحد.

ووفقا للفريق، فإن التسلسل الكامل والخالي من الفجوات للقواعد في حمضنا النووي أمر بالغ الأهمية لفهم التباين الجيني البشري والمساهمات الجينية في أمراض معينة.

ويقترح الباحثون أن بعض الجينات التي كانت فجوات في الجينوم الأصلي، يُعتقد أنها مهمة للغاية في المساعدة على تكوين دماغ أكبر لدى البشر مقارنة بالقردة.

وأنجز العمل من قبل اتحاد Telomere to Telomere (T2T)، والذي تضمن باحثين في المعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري (NHGRI)؛ جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز (UCSC)؛ وجامعة واشنطن، سياتل.

ويمكن الوصول إلى الجينوم المكتمل حديثا، المسمى T2T-CHM13، الآن من خلال متصفح الجينوم UCSC عبر الإنترنت.

وقال إريك غرين، مدير NHGRI في بيثيسدا بولاية ماريلاند: “يمثل إنشاء تسلسل كامل للجينوم البشري إنجازا علميا لا يُصدق، حيث يوفر أول نظرة شاملة لمخطط الحمض النووي الخاص بنا”.

وستعزز هذه المعلومات التأسيسية الجهود العديدة الجارية لفهم جميع الفروق الدقيقة الوظيفية للجينوم البشري، والتي بدورها ستمكّن الدراسات الجينية للأمراض البشرية.

ويمثل T2T-CHM13 ترقية كبيرة من الجينوم المرجعي الحالي، المسمى GRCh38، والذي يستخدمه الأطباء عند البحث عن الطفرات المرتبطة بالمرض، وكذلك من قبل العلماء الذين يبحثون في تطور التباين الجيني البشري.

وعلى عكس GRCh38، لم يتم تجميع T2T-CHM13 من عدة جينومات. ويمثل T2T-CHM13 مجموعة واحدة من الكروموسومات البشرية، على الرغم من أنها ليست جينوم أي شخص عاش على الإطلاق.

ويأتي هذا الإنجاز بعد عقدين من الزمن حيث أنتج مشروع الجينوم البشري المسودة الأولى لتسلسل الجينوم البشري.

ورسم مشروع الجينوم البشري بقيمة 3 مليارات دولار، والذي اكتمل في أبريل 2003، حوالي 92% من الجينوم.

وظلت المناطق الحاسمة التي تمثل نسبة الـ 8% المتبقية، مخفية عن العلماء لأكثر من عقدين من الزمن. لكن التطورات جعلت سد الثغرات ممكنا، وساعدت في الكشف عن أجزاء من الجينوم المخفي.

وبعبارة أخرى، أضافوا قيمة كروموسوم كاملة للحمض النووي المخفي سابقا – النسبة المفقودة ثمانية في المائة.

ويأتي الجينوم عبارة عن مجموعة كاملة من المعلومات الجينية في الكائن الحي، مخزنة في جزيئات طويلة من الحمض النووي تسمى الكروموسومات. والحمض النووي، أو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين، هو مادة كيميائية معقدة في جميع الكائنات الحية تقريبا تحمل المعلومات الجينية.

ويتكون الحمض النووي من أربع كتل بناء تسمى نيوكليوتيدات، يُشار إلى كل منها بحرف: الأدينين (A) والثايمين (T) والجوانين (G) والسيتوزين (C).

والجينوم البشري هو أكثر بقليل من ستة مليارات حرف فردي من الحمض النووي – وهو نفس العدد تقريبا مثل الرئيسيات الأخرى مثل الشمبانزي – منتشر بين 23 زوجا من الكروموسومات.

ولقراءة الجينوم، يقوم العلماء أولا بتقطيع كل هذا الحمض النووي إلى قطع بطول مئات إلى آلاف الحروف.

ثم تقرأ آلات التسلسل الأحرف الفردية في كل قطعة، ويحاول العلماء تجميع القطع بالترتيب الصحيح، مثل تجميع أحجية معقدة. ويتمثل أحد التحديات في أن بعض مناطق الجينوم تكرر نفس الأحرف مرارا عديدة.

وتشمل المناطق المتكررة السنتروميرات، وهي الأجزاء التي تربط خيطي الكروموسومات معا والتي تلعب دورا مهما في انقسام الخلايا، والحمض النووي الريبوزومي، الذي يوفر إرشادات لمصانع البروتين في الخلية.

وهناك مشكلة أخرى وهي أن معظم الخلايا تحتوي على جينومين – واحد من الأب والآخر من الأم.

وعندما يحاول الباحثون تجميع كل القطع، يمكن للتسلسلات من كل والد أن تختلط معا، ما يحجب التباين الفعلي داخل كل جينوم فردي.

وفي منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما حاول العلماء اكتشاف كيفية التغلب على الحواجز، توصلوا إلى فكرة الحصول على جينوم كامل من خلال تسلسل واحد فقط من الجينوم بدلا من حل اثنين في نفس الوقت.

واستخدموا مجموعة من سلالات الخلايا – مجموعة الخلايا التي يمكن الاحتفاظ بها في المزرعة لفترة طويلة من الزمن – والتي كان يدرسها أورفاشي سورتي، عالم الوراثة الإنجابية بجامعة بيتسبرغ.

ويأتي تسلسل T2T-CHM13 من خط خلوي يسمى CHM13، وهو مشتق من “الخلد المائي” – وهو نوع نادر جدا من النمو غير الطبيعي حيث تحتوي الخلايا على الكروموسومات من حيوان منوي واحد فقط.

وبسبب خلل نادر في التطور الطبيعي، فإن الخلايا المستخدمة لديها نسختان من الحمض النووي للأب وليس من الأم.

ومثل هذا الخط الخلوي، الذي يحتوي على جينوم واحد فقط، هو ما جعل تجميع الجينوم هذا ممكنا.

ومن الجوانب الرئيسية الأخرى للبحث، قدرة الآلات الجديدة على قراءة مليون حرف من الحمض النووي بدقة، الأمر الذي فتح الباب أمام معالجة “الأجزاء الصلبة” في الجينوم أخيرا.

وعلى مدار العقد الماضي، ظهرت تقنيتان جديدتان لتسلسل الحمض النووي أنتجا قراءات أطول للتسلسل.

ويمكن لطريقة تسلسل Oxford Nanopore DNA قراءة ما يصل إلى مليون حرف DNA في قراءة واحدة بدقة متواضعة، بينما يمكن لطريقة تسلسل الحمض النووي PacBio HiFi قراءة حوالي 20000 حرف بدقة مثالية تقريبا.

واستخدم الباحثون في اتحاد T2T كلتا الطريقتين لتسلسل الحمض النووي لتوليد تسلسل الجينوم البشري الكامل.

وسيكون التسلسل ذا قيمة خاصة للدراسات التي تهدف إلى إنشاء وجهات نظر شاملة للتنوع الجيني البشري، أو كيفية اختلاف الحمض النووي للأشخاص.

وتعتبر هذه الأفكار ضرورية لفهم الإسهامات الجينية لأمراض معينة ولاستخدام تسلسل الجينوم كجزء روتيني من الرعاية السريرية في المستقبل.

وبدأت العديد من المجموعات البحثية بالفعل في استخدام نسخة ما قبل الإصدار من تسلسل الجينوم البشري الكامل لأبحاثهم.

وتظهر ستة أوراق بحثية تشتمل على التسلسل الكامل في Science، إلى جانب الأوراق المرافقة في العديد من المجلات الأخرى.