پروژه ژنوم انسان (HGP) یک پژوهش علمی بین‌المللی با هدف تعیین جفت‌بازهای سازنده‌ی DNA انسان، شناسایی و نقشه‌برداری از تمام ژنوم انسانی بود. از این پژوهش به عنوان بزرگ‌ترین پروژه‌ی موجود در زمینه‌ی همکاری‌های بیولوژیکی یاد می‌شود. بعد از ارائه‌ی ایده‌ی این پروژه توسط دولت ایالات متحده در سال ۱۹۸۴، برنامه‌ریزی‌های لازم جهت عملیاتی شدن آن پیاده شد؛ و سپس در سال ۱۹۹۰ وارد فاز عملیاتی شد. در ابتدا زمان تقریبی اتمام پروژه ۱۵ ساله در نظر گرفته شده بود اما پیشرفت سریع در تکنولوژی به اجرای این پروژه شتاب بخشید و تکمیل آن در ۱۴ آپریل سال ۲۰۰۳ (حدود ۱۳ سال) اعلام شد. در ادامه‌ی این مقاله از فنولوژی، به اهداف، ویژگی‌ها، هزینه‌ها و سایر جزئیات پروژه ژنوم انسان می‌پردازیم.
اهداف پروژه ژنوم انسان چه بود؟
اهداف اصلی پروژه ژنوم انسان ابتدا در سال ۱۹۹۸ توسط یک کمیته‌ی ویژه از آکادمی ملی علوم معرفی شدند؛ سپس در یک برنامه‌ی همکاری دقیق پنج ساله توسط سازمان NIH (به اختصار National Institutes of Health) و وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) به تصویب رسید. خوش‌بختانه تمامی اهداف اصلی تعیین شده توسط آکادمی ملی علوم، از جمله تکمیل یک نسخه‌ی ویژه و باکیفیت از توالی ژنی انسان به دست آمدند. از سایر اهداف این پژوهش می‌توان به ایجاد یک نقشه‌ی فیزیکی و ژنتیکی از ژنوم انسان که در میانه‌ی دهه ۱۹۹۰ بدست آمد، اشاره کرد؛ همچنین نقشه‌برداری و تعیین توالی ژنی مجموعه‌ای از پنج گونه‌ی مختلف از قبیل موش‌ها، از سایر اهداف این پروژه بود. به علاوه چند هدف دیگر نیز که در سال ۱۹۸۸ ناممکن به‌نظر می‌رسید، در طول پروژه اضافه شد که با موفقیت حاصل شدند؛ از جمله پیش‌نویس پیشرفته‌ای از توالی ژنی موش‌های خانگی و صحرایی و همچنین لیستی از بازهای متنوع موجود در ژنوم انسان.
ژنوم چیست؟
ژنوم مجموعه‌ای کامل از ارگانیسم‌های دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید (DNA) است؛ یک ترکیب شیمایی که ساختارهای لازم برای نمو و فعالیت‌های مستقیم هر اندام بدن را شامل می‌شود. مولکول DNA از دو رشته‌ی درهم پیچ خورده و جفت شده، ساخته شده است. هر رشته‌ی دی ان ای از چهار واحد شیمایی که باز نوکلئوتید نامیده می‌شوند تشکیل می‌شود. این بازها شامل: آدنین(A)، تیمین(T)، گوانین(G) و سیتوزین(C) است. بازها در هر رشته، با باز مخالف خود در رشته‌ی مقابل جفت می‌شوند؛ برای مثال یک بازآلی A همواره با باز T،و یک باز C همواره با باز G جفت می‌شود. ژنوم انسان به تقریب ۳ میلیون جفت‌باز دارد؛ که در ۲۳ جفت کروموزوم موجود در هسته‌ی سلول قرار دارند. هر کروموزوم، به تنهایی، صدها و بلکه هزاران ژن دارد که ساختارهای لازم برای تولید پروتئین را حمل می‌کنند. هر ژن، از ۳۰۰ هزار ژن تخمین زده شده موجود در ژنوم انسان، به‌طور میانگین سه پروتئین را می‌تواند تولید کند.
توالی DNA چیست؟
توالی به معنی تعیین دقیق ترتیب قرارگیری جفت بازهای هر بخش از DNA است. جفت بازهای موجود در کروموزوم‌های انسان، در گستره‌ی ۵۰ میلیون تا ۳۰۰ میلیون عدد متغیر‌اند؛ به این علت که بازها به‌صورت جفت قرار دارند و تعیین یک باز، باز جفت مقابل را مشخص می‌کند؛ درواقع لازم نبود که دانشمندان هر دو جفت باز را گزارش کنند. روش اصلی مورد استفاده در HGP برای ساخت نسخه‌ی نهایی کد ژنتیکی انسان، توالی‌یابی به روش‌های map-based و یا BAC-based بود.
BAC مخفف عبارت «bacterial artificial chromosome» یا کروموزوم مصنوعی باکتریایی است. دی‌ان‌ای انسان به قطعه‌هایی به نسبت بزرگ اما قابل کنترل (بین ۱۵۰هزار تا ۲۰۰ هزار جفت باز) تقسیم می‌شود. سپس این قطعات را در باکتری‌ها که می‌توانند دی‌ان‌ای را تکثیر و ذخیره کنند، کلون می‌کنند؛ بنابراین می‌توان آن را در مقادیر به اندازه‌ی کافی بزرگ، جهت توالی یابی، آماده کرد. اگر انتخاب‌ها، جهت به حداقل رسانی هم‌پوشانی، با دقت لازم صورت گیرد، حدود ۲۰ هزار BAC نیاز است کلون شود تا همه‌ی سه میلیارد جفت بازِ ژنوم انسان را پوشش دهد. یک مجموعه از کلون‌های BAC که شامل کل ژنوم انسان است را «BAC library» می‌نامند. در روش BAC-based، هر کلون BAC نقشه‌برداری می‌شود تا تعیین شود که DNA موجود در این کلون‌ها از کجای ژنوم انسان نشات می‌گیرد. استفاده از این شیوه، این اطمینان را به‌وجود می‌آورد که دانشمندان، هم از مکان دقیق کد های DNA که از هر کلون توالی یافته است و هم از رابطه‌ی مکانی آنها با توالی DNA موجود در سایر کلون‌های DNA باخبر شوند.
برای توالی‌یابی، هر کلون BAC دوباره به قطعات کوچک‌تری به طول ۲،۰۰۰ باز بریده می‌شوند. این قطعات را «Subclones» می‌نامند. واکنش های توالی‌یابی در این کلون‌های کوچک‌تر (subclones) انجام می‌گیرد. سپس محصولات حاصل از واکنش توالی‌یابی را در یک ماشین توالی‌یابی (sequencer) بارگذاری می‌کنند. sequencer حدود ۵۰۰ تا ۸۰۰ جفت‌باز A، T، C و G را از هر واکنش توالی‌یابی ایجاد می‌کند؛ به این معنی که هر جفت باز حدود ۱۰ بار توالی می‌یابد. سپس یک کامپیوتر این توالی‌های کوتاه را به‌صورت قطعات پیوسته‌ای از یک توالی، که نشانگر DNA انسان است، سرهم می‌کند.
تفاوت نسخه‌ی اصلی و پیش‌نویس پروژه ژنوم انسان در چیست؟
در ۶ ژوان سال ۲۰۰۰ ائتلاف بین المللی توالی ژنوم انسان، تولید یک پیش‌نویس از ژنوم انسان را اعلام کرد. در آپریل سال ۲۰۰۳ این ائتلاف از تولید یک نسخه‌ی نهایی از توالی ژنوم انسان خبر داد. این نسخه که در اختیار عموم نیز قرار گرفته است، تقریبا تمام اطلاعات لازم برای تحقیقات با استفاده از کل ژنوم را فراهم می‌کند. تفاوت بین این دو نسخه بیش‌تر در میزان پوشش، نقاط مبهم و نرخ خطاهای آن‌هاست. نسخه‌ی پیش نویس حدود ۹۰ درصد ژنوم را پوشش می‌داد و نرخ خطایی به اندازه ۱ در ۱۰۰۰ جفت باز را داشت؛ اما حدود ۱۵۰ هزار شکاف نیز وجود داشت و تنها ۲۸ درصد از ژنوم به استاندارد نهایی رسیده بود. در نسخه‌ی نهایی کم‌تر از ۴۰۰ شکاف دیده می‌شد، ۹۹ درصد ژنوم به پوشش نهایی رسیده بود و نرخ خطا تا ۱ در ۱۰ هزار جفت کاهش یافته بود. تفاوت بین این دو نسخه برای دانشمندانی که از توالی ژنوم در تحقیقات خود استفاده می‌کنند چشم‌گیر است.
HGP در اختیار چه کسانی است؟
هر بخش از ژنوم که توسط HGP توالی‌یابی شده بود به سرعت در اختیار عموم قرار می‌گرفت. اطلاعات جدید درباره‌ی ژنوم تقریبا هرروزه به‌صورت رایگان در دیتابیس‌های گوناگون در دسترس قرار می‌گیرد و یا در مجلات علمی به چاپ می‌رسد (که ممکن است رایگان یا غیررایگان در دسترس عموم باشند). در سال ۲۰۱۳ دیوان عالی عدالت رای داد که شکل‌گیری طبیعی ژن‌های انسانی، اختراع بشر نیست؛ بنابراین نمی‌توانند به ثبت برسند. با این وجود شرکت‌های خصوصی می‌توانند برای ژن‌های دست‌کاری شده و یا ترکیبی، درخواست ثبت اختراع دهند. این درخواست برای مواری که ژن‌ها به‌طور قابل توجهی نسبت به نسخه‌های طبیعی خود تغییر یافته‌اند و به عنوان محصولی جدید و قابل ثبت شمرده شوند اعمال می‌شود.
چه کسانی در HGP شرکت کردند؟
بدون کمک و مشارکت موسسات بین المللی، ممکن نبود که HGP به سرعت و با بازدهی بالا تکمیل شود. در ایالات متحده مشارکت کنندگان در این پروژه شامل سازمان ملی بهداشت (NIH) می‌شد، که در سال ۱۹۸۸ با ایجاد یک مرکز برای تحقیق در حوزه ژنوم انسانی، مشارکت خود را آغاز نمود؛ که بعدها در سال ۱۹۹۰ به مرکز ملی تحقیقات ژنوم انسانی و سپس در سال ۱۹۹۷ به سازمان ملی تحقیقات ژنوم انسانی (NHGRI) ارتقا یافت؛ همچنین وزارت انرژی ایالات متحده(DOE)، جایی که ایده‌ی HGP در آن در سال ۱۹۸۴ شکل گرفت، نیز در این پروژه مشارکت نمود. با این وجود، تقریبا توالی‌یابی کامل ژنوم انسان در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی متعددی در ایالات‌متحده، بریتانیا، فرانسه، آلمان، ژاپن و چین صورت گرفت.
پروژه ژنوم انسان چه‌قدر هزینه داشت؟
در سال ۱۹۹۰، کنگره، صندوقی را برای پروژه ژنوم انسان راه اندازی کرد و تاریخ تکمیل آن را سال ۲۰۰۵ قرار داد. اگرچه تخمین‌ها نشان می‌داد که در طول این دوره، این پروژه هزینه‌ای بالغ بر ۳ میلیارد دلار در بر خواهد داشت، در نهایت هزینه‌ی پروژه کم‌تر از انتظار بود و حدود ۲.۷ میلیارد دلار در سال مالی ۱۹۹۱ هزینه دربر داشت. به علاوه، HGP چیزی بیش‌تر از دو سال زودتر از موعد برنامه‌ریزی شده به اتمام رسید. همچنین مهم است توجه کرد که اگر ما نقش مهمی که تحقیقات مبتنی بر ژنوم در رشد بیوتکنولوژی و توسعه صنایع دارویی دارد(بدون در نظر گرفتن نقش معنوی آن در پیشرفت سلامت انسان) را در نظر بگیریم احتمالا HGP چندبرابر هزینه‌های خود را پس خواهد داد.
چرا NHGRI به مطالعه مسائل اخلاقی در HGP می‌پردازد؟
از همان آغازبه‌کار HGP، به وضوح پیدا بود که گسترش دانش ما در حوزه ژنوم تاثیر بسزایی در افراد و جامعه خواهد داشت. رهبران HGP به اهمیت توجه به طیف گسترده‌ای از مسائل اخلاقی و اجتماعی مرتبط با فراگیری و استفاده از اطلاعات ژنوم پی برده بودند و سعی داشتند تا خطرات و مزایای احتمالی استفاده از این دانش جدید در مسائل تحقیقی و مراقبت‌های بالینی را متعادل سازند. برنامه مسائل اخلاقی، حقوقی و اجتماعی (به اختصار ELSI) در سازمان NHGRI در سال ۱۹۹۰ برای نظارت بر تحقیقات این حوزه تاسیس شد. کنگره‌ی ایالات متحده مقرر نمود که حداقل پنج درصد از بودجه‌ی سالانه‌ی NHGRI به مطالعه‌ی پیامدهای ELSI در پروژه ژنوم انسان و هم‌چین توصیه به راه‌حل‌های سیاسی و تشویق به بحث‌های عمومی تخصیص یابد. برنامه ELSI در NHGRI که از نظر گستردگی و سطح اولویت بندی در حوزه‌ی علوم زیست‌پزشکی بی‌سابقه است، زیربنای موثری را برای بررسی پیامدهای یافته های حوزه ژنوم انسانی فراهم نموده است. از همان ابتدا، برنامه‌ی ELSI در NHGRI چندین گزارش قابل توجه در زمینه ژنومیک منتشر کرده است. از میان آنها می‌توان به تغییرات اساسی در روشی که محققان و هیئت‌های ناظر بر موسسات برای تشخیص میزان رضایت از مطالعات حوزه ژنوم انجام انجام می‌دادند، اشاره کرد. مورد دیگر، سیاست به اشتراک گذاری داده های NIH است؛ به ویژه نیاز به برقراری تعادل بین علم آزاد، حریم خصوصی و استقلال شخصی. برنامه ELSI در ترویج گفت‌وگو‌هایی درباره پیامدهای علم ژنوم شناسی (genomics) و ایجاد فرهنگی در روش‌های تحقیق در علم ژنوم‌شناسی، پزشکی و محل‌های اجتماعات بسیار موثر بوده است.
آینده‌ی علم پزشکی چگونه است؟
در اختیار داشتن تمام توالی ژنی انسان مانند داشتن صفحات یک کتاب‌چه‌ی راهنما برای ساختن بدن انسان است. هم اکنون چالش پیش روی محققان و دانشمندان این است که چگونه همه‌ی این صفحات را بخوانند و درک کنند که بخش‌های مختلف آن چگونه با هم کار می‌کنند؛ همچنین اساس کار ژنتیک در حوزه سلامت و آسیب شناسی بیماری‌های انسانی را کشف کنند. بر این اساس تحقیق‌های مبتنی بر ژنوم (genome-based)، در نهایت علم پزشکی را قادر می‌کند تا ابزار های تشخیصی با بازدهی بالا را توسعه دهد؛ همچنین باعث درک بهتر آن بخش از سلامت افراد که بر پایه‌ی ژنتیک مخصوص آنها ایجاد شده می‌شود و باعث کشف درمان‌های جدید و موثرتری برای بیماری‌ها خواهد شد. آنالیزهایی که بر اساس ژنوم به‌خصوص هر فرد پایه گذاری شده ، باعث تقویت حوزه های پیش‌گیری در پزشکی خواهد شد. ما قادر خواهیم بود که درباره‌ی ریسک بیماری‌هایی که ممکن است در آینده شکل بگیرند، با تجزیه و تحلیل دقیق DNA، اطلاعات ارزش‌مندی را فرابگیریم. پزشکان، پرستاران، دانشمندان ژنتیک و سایر حرفه‌های حوزه‌ی درمان قادر خواهند بود که به تنهایی و با کار بر روی DNA بیمار، تلاش های خود را بر روی نکاتی که احتمال بیش‌تری در حفظ سلامت یک فرد خاص دارند، متمرکز کنند. این موضوع ممکن است به معنی تغییر رژیم غذایی، سبک زندگی افراد و یا به معنی نظارت پزشکی باشد. درواقع می‌تواند یک دید شخصی از اعمالی که ما قادریم برای حفظ سلامت خود انجام دهیم ارائه دهد. سپس با درکی که ما از چگونگی به‌وجود آمدن بیماری‌هایی مانند دیابت، حمله قلبی و یا اسکیزوفرنی در سطح مولکولی داریم، می‌توانیم شاهد نسل جدیدی از تلاش‌های علم پزشکی باشیم که بسیاری از آنها داروهایی خواهند بود که موثرتر و دقیق‌تر از ابزارهای امروزی هستند.
منبع : GENOME
