Dla moich rodziców,

którzy dali mi tak wiele i pokazali,

co tak naprawdę znaczy opieka nad innymi

Przedmowa

Nie jestem pewien, jak zaczęła się moja fascynacja genomem, ale wiem, dlaczego się tym nie znudziłem: odkrywanie genomu, naszego „kodu życia” jest porywające. Dzień po dniu staramy się przełamać szyfr, który jest jednocześnie istotą naszego człowieczeństwa i ostatecznym celem w naszej misji odnalezienia wskazówek do tego, jak pomóc rodzinom dotkniętym najtrudniejszymi chorobami genetycznymi. Życie nie mogłoby być bardziej satysfakcjonujące.

Nie potrafiłem sobie tego wszystkiego nawet wyobrazić, dorastając w latach 70. w zachodniej Szkocji. Były to czasy, w których rozpracowano genom pierwszego, mikroskopijnego organizmu. Od tamtej pory wiemy, że nasz genom jest kodem łączącym ludzi z każdym żywym organizmem na Ziemi; kodem zawierającym historię rasy ludzkiej; kodem wyrytym w historii naszych własnych rodzin, ciągnącej się setki lub nawet tysiące lat wstecz. Jest to zapis unikalny dla każdego człowieka: nikt współcześnie żyjący i nikt, kto kiedykolwiek się urodził, nie ma identycznego zestawu informacji (nawet wasz bliźniak!). Nasz kod zawiera informację o wszystkim, począwszy od wzrostu, wagi, koloru włosów i oczu, aż po predyspozycję do niektórych spośród tysięcy znanych nam chorób. Nasz kod może również przewidzieć naszą przyszłość: jak będziemy żyć i jak możemy umrzeć.

Wszystko to zapisane jest za pomocą cząsteczki znanej jako kwas dezoksyrybonukleinowy, DNA, która stała się tak nieodłączną częścią naszego leksykonu, że ze związku chemicznego stała się metaforą. Mówimy, że dany rys charakterystyczny firmy lub instytucji „jest w ich DNA”, chociaż przecież nie są to istoty żywe. Chodzi nam o to, że dana cecha jest wrośnięta tak głęboko, związana tak mocno i tak nieodwracalnie, że staje się częścią struktury danej organizacji. Kiedy mówimy, że pewne cechy innego człowieka wydają się być „częścią jego DNA”, wyrażamy w ten sposób poczucie, że owa charakterystyka jest naturalna, głęboko zakorzeniona, nieodstępna.

Sparowane w dwie nici, zwinięte w prawoskrętną podwójną helisę, DNA składa się z zaledwie czterech prostych części składowych, zaaranżowanych w odpowiednie wzory na całej długości nici. Owe „nukleotydy” są alfabetem życia: A, T, G i C – cztery litery tworzące unikalny kod, zamknięty w „sejfie” niemal każdej komórki naszego ciała. Ludzki genom składa się z 3 miliardów par tych liter (inaczej par zasad) – 6 miliardów punktowych danych wyjściowych, dwa metry cząsteczki upakowane w 23 parach chromosomów, które, gdyby je rozwinąć i ułożyć w jednej linii z pozostałymi nićmi DNA z 30 trylionów komórek w naszym ciele, można by przeciągnąć między Ziemią i Księżycem kilka tysięcy razy. Jest to dosłowne wcielenie istoty naszego człowieczeństwa.

Przetłumaczenie (zsekwencjonowanie) pierwszego genomu ludzkiego – Projekt Poznania Ludzkiego Genomu – zajęło 10 lat i było międzynarodowym wielomiliardowym wysiłkiem odszyfrowania sekwencji mieszaniny DNA pochodzącej od 10 ludzi (ostatecznie okazało się, że była to bardziej połowa genomu pochodząca od dwóch osób, ale o tym później). I chociaż ten pierwszy wysiłek kosztował miliardy, w tej chwili – niecałe 20 lat później – sekwencjonowanie ludzkiego genomu kosztuje mniej niż tani rower, którym codziennie dojeżdżam do pracy. Ta niesamowita redukcja kosztów wywołała prawdziwe tsunami odkryć naukowych i otworzyła przed medycyną bezprecedensową sposobność zmiany ludzkiego życia na lepsze. Mamy oto narzędzie do przedefiniowania chorób, do rozwiązywania zagadek medycznych, niosące nadzieję rodzinom, które ucierpiały z powodu straty bliskich i chroniące tych, którzy nadal żyją. Ten molekularny mikroskop pozwolił nam zrozumieć choroby na dużo głębszym poziomie i zapoczątkować personalizację leczenia medycznego.

Dramatyczne postępy, o których przeczytacie w tej książce – postępy, które przeprowadziły nas od teoretycznego rozumienia, czym jest DNA, do odczytania pierwszego ludzkiego genomu i zmian wielu medycznych paradygmatów – miały miejsce dzięki rewolucyjnej poprawie naszej zdolności odczytywania sekwencji DNA, programom komputerowym i współpracy naukowej.

Myślę, że młodszy ja byłby zdziwiony, gdyby dowiedział się, że zamierzam poświęcić życie zrozumieniu ludzkiego genomu, mimo że zawsze wiedziałem, że zostanę lekarzem. Jeszcze zanim skończyłem 10 lat, koledzy ze szkoły prosili mnie, żebym wycierał krew z ich obtartych kolan (mój ojciec był miejscowym lekarzem, więc byłem oczywistym wyborem. Z kolei moja siostra dość wcześnie postanowiła, że zostanie weterynarzem, więc dostawały się jej wszystkie martwe ptaki). Lubiłem to zadanie. W wieku 12 lat nauczyłem się zasad pierwszej pomocy i zostałem dla wszystkich moich rówieśników miejscowym ekspertem od wszelkich spraw ciała. Podtrzymywałem swoje znawstwo, odwiedzając gabinet lekarski mojego taty, oglądając jego przyrządy i bujając się na jego fotelu. Byłem zafascynowany jego torbą lekarską. Była czarna, w kształcie pudełka, sięgała mi do kolan i jawiła mi się niczym miniaturowy szpital – jaskinia skarbów, pełna malutkich szufladek, w których spoczywały igły, nici chirurgiczne oraz intrygujące metalowe narzędzia, których przeznaczenia nie potrafiłem sobie wyobrazić. Pamiętam, jak pewnego razu tata założył szwy na czole mojego kolegi, tak po prostu, u nas w kuchni. To było naprawdę super. Czasami zabierał mnie ze sobą na wizyty domowe. Pewnego roku w Boże Narodzenie poświęcił wiele godzin, załatwiając tlen dla jednego z jego pacjentów, cierpiącego na chorobę płuc, aby ten nie musiał iść do szpitala. Moja mama była położną i czasami również mnie ze sobą zabierała. Nauczyłem się od nich obojga poświęcenia, współczucia i tego, że praktykowanie medycyny nie jest zawodem ani zwykłą profesją, lecz stylem życia, powołaniem. Czułem do tej dziedziny niezwykle głęboki pociąg: opiekowanie się ludźmi wydawało mi się czymś, dla czego w ogóle znalazłem się na tej planecie.

Mimo to byłem jednocześnie maniakiem technologicznym. Pamiętam, jak w wieku 10 lat wygrałem 150 dolarów i zostałem zmuszony do typowo szkockiej gospodarności, czyli „zainwestowania” pieniędzy w konto oszczędnościowe zamiast kupić okulary z wmontowanymi wycieraczkami. Kiedy miałem 12 lat, razem z tatą oszaleliśmy na punkcie układania kostki Rubika (mój rekord wynosił zdaje się 30 sekund, ale obawiam się, że nie pamiętam zbytnio szczegółów). Tamtego lata zamiast biegać po dworze, ciesząc się szkocką pogodą, siedziałem w domu, skoncentrowany na pisaniu programu komputerowego, który miał obliczać podatki od pensji w przychodni mojego taty. Oczywiście następnego roku system podatkowy się zmienił, dzięki czemu odebrałem ważną lekcję o… cóż, o rządzie i podatkach. Tak czy owak, księgowość nie była mi pisana (to mój brat jest osobą, której można zaufać w kwestii pieniędzy), ale wyobrażałem sobie, że zarobię kupę szmalu ze sprzedaży gry komputerowej o wyścigach konnych, którą napisałem na domowym Sinclairze ZX Spectrum w wieku 14 lat. Naciskając naprzemiennie klawisze tak szybko, jak się umiało, można było przyspieszyć bieg konia. Kokosów na tej grze nie zbiłem, ale moi interesujący się komputerami koledzy uważali, że była niesamowita. A przynajmniej tak mówili.

W szkole pociągały mnie nie tylko fizyka i matematyka, ale również język angielski i muzyka. Nauczyciel biologii, który pewnego razu poinformował moich rodziców, że jestem bufonem, niechcący obudził we mnie (miałem wtedy 16 lat) zamiłowanie do genetyki, dając mi książkę Richarda Dawkinsa „Samolubny gen” (Ten sam nauczyciel zasugerował również, z minimalną dawką humoru, że narysowany przeze mnie aparat naukowy musiał chyba najpierw upaść na ziemię. No cóż, plastyka nigdy nie była moją mocną stroną). Moim nowym ulubionym zajęciem dla zabicia czasu stało się czytanie książek popularnonaukowych – Dawkinsa, Goulda, Lewontina, Sacksa, Diamonda, Pinkera i oczywiście Darwina. Ową pasję zabrałem ze sobą do szkoły medycznej. Mój los przypieczętowały jedne z najwcześniejszych zajęć z fizjologii. Zasiedliśmy w laboratorium w czteroosobowych grupach przy niskich stołach na niewygodnych drewnianych stołkach, czekając niespokojnie na świeżo wypreparowane, nadal jeszcze bijące serce królika. Dotykaliśmy go, czuliśmy pod palcami jego mokrą miękkość, braliśmy je w dłonie, zdumiewając się spontanicznymi skurczami, wreszcie zawieszaliśmy je na igle wbitej w aortę – naczynie krwionośne wychodzące z serca na samym szczycie. Naszym zadaniem było odżywienie, wspomożenie i utrzymanie serca przy życiu tak długo, jak to możliwe. Wpatrywałem się w nie godzinami, zafascynowany jego pięknem: widziałem elegancką, wspaniale zsynchronizowaną biomaszynę. Ten cud ewolucji miał w sobie magię. Jego rytm był muzyką, która mnie oczarowała.

I w taki właśnie sposób odnalazłem swoje powołanie medyczne. Specjalizacja w kardiologii niosła ze sobą podniecająco żywotną wartość: aplikowanie szoku elektrycznego pacjentom, których serca przestały bić, wydawało się dość doniosłym sposobem na spędzanie moich dni. Poza tym wielu członków mojej rodziny cierpiało na choroby tego narządu. Uznałem, że może kiedyś będę się mógł im jakoś przysłużyć.

Wiele lat później, dzięki sporej dozie szczęścia, udało mi się połączyć moje pasje praktykującego kardiologa oraz dyrektora założycielskiego Centrum Dziedzicznych Chorób Serca na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. Tkwiący we mnie maniak technologiczny jest zachwycony możliwością prowadzenia laboratorium, w którym różnorakie eksperymenty biologiczne i potężne komputery pomagają zrozumieć biologię. Miałem szczęście, że wraz z moimi utalentowanymi kolegami po fachu mogłem założyć kilka firm biotechnologicznych. Poza tym pracowałem z firmami takimi jak Google, Apple, Amazon i Intel, a także z rządami kilku krajów, jako doradca do spraw znaczenia genomu w medycynie. Czuję się bardzo uprzywilejowany tym, że przyszło mi żyć w czasach technologicznej transformacji genetyki i służby zdrowia.

W dzisiejszych czasach można zsekwencjonować ludzki genom za kilkaset dolarów. Kilka lat temu postanowiłem poświęcić się misji zrozumienia genomu. Uznałem, że jeśli uda się nam dokonać jego pełnej analizy, pojąć zawartą w nim informację, będziemy mogli odszyfrować genetyczną przyszłość: przewidzieć i zapobiec szeregowi chorób, zanim jeszcze zaczną się objawiać. Zastanawiałem się, czy moja misja pozwoli nam dodatkowo, przynajmniej częściowo, zrozumieć, co to znaczy być człowiekiem.

Niniejsza książka opowiada o pierwszych latach moich przygód po podjęciu owej decyzji. Jej karty zabiorą Was w podróż w głąb nauki i medycyny ludzkiego genomu. Opowiem Wam historie pacjentów, których życie zmieniło się dzięki znajomości ich genomu. Przedstawię liczne grupy naukowe, które prowadziłem i które podziwiałem; pokażę drogę prowadzącą od informacji genetycznej do praktyki lekarskiej.

Pierwsze rozdziały (Wczesne genomy) zaznajomią Was z naszym zespołem i naszymi wysiłkami, aby medycznie odcyfrować niektóre z pierwszych w całości zsekwencjonowanych genomów. Opisuję tam dzień z 2009 roku, w którym zajrzałem do gabinetu mojego współpracownika w Stanfordzie i zastałem go studiującego jego własną informację genetyczną. Opowiadam, jak ów oświecający moment sprawił, że zaczęliśmy porównywać wszystkie znane nam wówczas obserwacje i informacje dotyczące ludzkiej genetyki z jego genomem, aby lepiej zrozumieć ryzyko zapadnięcia na różne choroby. Przedstawiam syna jego kuzyna, który zmarł tragicznie w wieku kilkunastu lat, i to, w jaki sposób wykorzystaliśmy próbkę tkanki jego serca, uzyskaną podczas autopsji, aby zsekwencjonować jego genom w poszukiwaniu odpowiedzi na pytania jego rodziny. Opowiadam o początkach ludzkiego genomu referencyjnego, stworzonego w Bufallo w Nowym Jorku oraz o uczennicy, która w ramach projektu naukowego przyniosła sekwencje genetyczne całej swojej rodziny. Opisuję, w jaki sposób zwiększyliśmy nasze wysiłki w tej dziedzinie w naszej stanfordzkiej klinice i jak założyliśmy firmę, która miała na celu rozszerzyć nasze działania poza murami uniwersytetu.

W drugiej części książki (Detektywi chorób) próbuję przekonać Was, że medycyna genomiczna jest bardzo podobna do pracy detektywa. Zaczynamy od „miejsca przestępstwa”, szukając wskazówek i dokumentując dowody, przy wykorzystaniu tradycyjnych metod medycznych, praktykowanych od tysięcy lat: obserwacja, badanie, dokumentacja, analiza. Dodajemy do tego nasze najnowsze narzędzie: odczytywanie genomu. Opowiadam historie pacjentów z nierozpoznanymi przypadłościami, którzy przez całe lata poszukiwali odpowiedzi i znaleźli je wreszcie dzięki cudowi nauki genetycznej. Opisuję krajową sieć „detektywów” chorób, których misją jest systematyczne doprowadzanie do końca owych diagnostycznych odysei.

W trzeciej części książki (Problemy sercowe) opisuję moich zaprzyjaźnionych pacjentów kardiologicznych, opowiadam o wschodzącej gwieździe Broadwayu, która przez genetyczną loterię musiała zmierzyć się z konsekwencjami powiększonego serca i perspektywą przeszczepu tego narządu. Opisuję, w jaki sposób próbowaliśmy pobić rekord w szybkości sekwencjonowania genomu, żeby zdiagnozować i leczyć noworodka, którego serce zatrzymało się pięć razy w ciągu jego pierwszego dnia życia. Opowiadam też o pewnym młodym człowieku z szerokim uśmiechem i licznymi guzami w sercu oraz o tym, w jaki sposób powiązaliśmy przyczynę jego choroby z brakującym fragmentem jego genomu. Opisuję, w jaki sposób u pewnej dziewczynki znaleźliśmy nie jeden, ale dwa różne genomy. Przedstawiam Wam również historię naszego zrozumienia chorób serca i nagłej śmierci, uwarunkowań, które zwiększają predyspozycje do wystąpienia tych schorzeń oraz barwne postaci, których praca dostarczyła nam wiedzy, dzięki której możemy leczyć owe niedomagania.

W czwartej i ostatniej części książki (Precyzyjnie dokładna medycyna) spoglądam w przyszłość, dyskutując o tym, jak badanie superludzi – ludzi chronionych przed chorobami przez własny genom – może pomóc pozostałym z nas stać się nieco bardziej „super”. Opisuję kilka ekscytujących nowych projektów, mających na celu zebranie informacji z sekwencjonowania milionów ludzkich genomów – między innymi Projekt Medycyny Precyzyjnej prezydenta Obamy oraz brytyjski Biobank. Opowiadam o postępach w leczeniu i pokonywaniu chorób genetycznych – jak np. o terapii genowej – oraz o metodach opracowania tradycyjnych leków, dużo skuteczniejszych dzięki znajomości genetyki.

Żadna książka nie powinna próbować w całości przedstawić dane zagadnienie, dlatego nie przeczytacie tutaj o wielu bardzo istotnych gałęziach medycyny. Nie będziemy się na przykład zagłębiali w tematykę raka. Po pierwsze napisano już na ten temat wiele doskonałych pozycji, a po drugie, w testowaniu genetycznym ludzi cierpiących na tę chorobę niewiele metod wymaga sekwencjonowania całego genomu (większość analizy nowotworowej wymaga dokładnego sekwencjonowania zestawu genów, a więc fragmentu całej informacji genetycznej). Dlatego też temat raka zostawiłem na później. Nie poruszam również kwestii testów genetycznych podczas ciąży. Umiejętność znajdowania fragmentów DNA dziecka w krwi matki dramatycznie zmieniła nasze podejście do owych metod, jednak nie polegają one zazwyczaj na próbie złożenia z nich całego genomu, tak więc te historie również na razie sobie daruję. Istnieje wiele innych niedościgłych postępów i historii o moich kolegach po fachu z całego świata, o których nie byłem w stanie opowiedzieć w niniejszej książce. Chciałem skoncentrować się na historii naszych własnych pacjentów oraz naszego własnego wkładu w pomaganie im, ale to, co robimy, nie byłoby możliwe bez ogromnej ilości pracy i poświęcenia wielu innych naukowców.

Bohaterami tej książki są moi pacjenci i ich rodziny, wspólnie dźwigający ciężar dziedziczenia: małe dzieci, które śmieją się i płaczą podczas wizyt w klinice; odważne nastolatki, dzielnie akceptujące nowe diagnozy, wrzucające ich w wir niespodziewanej nowej rzeczywistości; rodzice, którzy codziennie opiekują się swoimi sprawnymi inaczej dziećmi, podróżując od jednego lekarza do drugiego, nieustannie martwiąc się o nieznaną przyszłość. To dla nich budzę się co rano. Nasi pacjenci i ich rodziny nigdy nie uwolnią się od tego, co ich własny genom wniósł do ich życia – a my nigdy nie przestaniemy poszukiwać głębszego, pełniejszego zrozumienia ich informacji genetycznej, aby znajdować nowe, lepsze sposoby leczenia ich dolegliwości. A kiedy nasze wysiłki spełzają na niczym, nigdy nie przestaniemy ich pocieszać i zapewniać, że nie spoczniemy, nim dojdziemy do lepszego, jaśniejszego dnia.

CZĘŚĆ I

WCZESNE GENOMY

1

Pacjent zero

Dzisiaj uczymy się języka, w którym Bóg stworzył życie.

Bill Clinton, prezydent USA

Dzielimy 51% naszych genów z drożdżami i 98% z szympansami – to nie genetyka czyni nas ludźmi.

dr Tom Shakespeare, Uniwersytet w Newcastle

Lynn Bellomi wiedziała, że coś jest bardzo nie tak. Był sierpień 2011 roku i Lynn z Arroyo Grande, miasta na malowniczym wybrzeżu kalifornijskim, właśnie wydała na świat ślicznego chłopczyka, Parkera. Na początku wszystko wydawało się normalne, ale po kilku tygodniach młoda mama stała się podejrzliwa. Parker nadal miał problemy z tym, co większości noworodków przychodzi dość szybko, jak karmienie i sen. Spał zaledwie kilka godzin dziennie i często płakał. W marcu 2012 roku, kiedy skończył już sześć miesięcy, nie okazywał zainteresowania otaczającymi go obiektami i nie przewracał się z brzucha na plecy, nie wspominając o siedzeniu. Skierowano go do specjalisty od wczesnego rozwoju dzieci, potem do okulisty, neurologa i wreszcie do genetyka. Co gorsza, zanim Parker skończył dziewięć miesięcy, pojawiły się u niego ataki konwulsji. Zrobiono mu wiele prześwietleń i testów, które często wymagały przeprowadzenia bolesnej procedury pobierania krwi. Nikt nie potrafił zrozumieć, co się dzieje.

– Ciągłe wizyty u lekarzy, nieskończone podróżowanie samochodem – przypominała sobie jego mama. – A na dodatek miałam wrażenie, że robię to wszystko bez celu.

Miesiące zmieniły się w lata.

W 2016 roku, kiedy po raz pierwszy poznałem Lynn i 5-letniego Parkera, zostali właśnie skierowani do naszego stanfordzkiego Centrum Chorób Nierozpoznanych – jednej z siedzib narodowej sieci „detektywów medycznych”, których celem jest rozwiązywanie najtrudniejszych zagadek w medycynie. W większości przypadków sukces jest w dużej mierze wynikiem analizy genomów rodzinnych – tych najważniejszych instrukcji zapisanych w DNA, czyli „książce kucharskiej” wykorzystywanej przez wszystkie nasze komórki i układy. I tak oto 28 lipca 2016 roku pobraliśmy od Parkera krew, żeby pozyskać z białych krwinek jego DNA i spisać każdą literkę jego genomu. To samo zrobiliśmy z rodzicami chłopca.

Trzy miesiące później, 4 października, nasi doradcy genetyczni Chloe Reuter i Elli Brimble zadzwonili do Lynn z wiadomością, że znaleźliśmy zmianę w informacji genetycznej Parkera, która nie występowała ani u niej, ani u ojca dziecka. Była to nowa mutacja, zakłócająca ekspresję genu FOXG1. Inni pacjenci z uszkodzonymi wariantami tego samego genu mieli problemy zdrowotne niezwykle podobne do tych występujących u Parkera. To musiała być nasza odpowiedź. Po raz pierwszy od chwili, gdy Lynn zauważyła nieprawidłowości w rozwoju swojego synka, całe pięć lat temu, zrozumiała istotę „wroga”. Natychmiast znalazła wsparcie grupy rodzin, których członkowie cierpieli na syndrom FOXG1 (kiedy ostatnio sprawdzałem, grupa FOXG1 na Facebooku liczyła 650 rodziców). Co więcej, zrozumienie przyczyny problemów Parkera pozwoliło nam skierować go do odpowiedniego specjalisty do spraw schorzeń ruchowych, który natychmiast zmienił zestaw leków dla chłopca, dzięki temu dramatycznie redukując jego objawy.

– Parker nadal ma od czasu do czasu ataki konwulsji, ale dużo rzadziej niż kiedyś – powiedziała mi niedawno Lynn. – Wciąż musi regularnie odwiedzać lekarza, ale poza tym jest bardzo szczęśliwym chłopcem.

Parker i jego rodzice mogą teraz spoglądać w przyszłość pełną nowych możliwości: łączą się z lekarzami, naukowcami i setkami rodzin z całego świata, aby zwalczać tę chorobę wszelkimi sposobami, wspierać się, wymieniać doświadczeniami, analizować informacje i miejmy nadzieję, że pewnego dnia również znaleźć lekarstwo. Owa przyszłość wyglądałaby zupełnie inaczej, gdyby nie postępy w naszym zrozumieniu genomu – odkrycia poczynione w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci przez naukowców, którzy zmienili sposób, w jaki wykrywamy i leczymy ludzkie choroby. Aby poznać nieco bliżej owe przełomowe odkrycia, cofnijmy się do roku 2009.

Był to dość zwyczajny dzień. Skończyłem poranne spotkania i zamiast udać się na lunch, ruszyłem do gabinetu mojego przyszłego przyjaciela, stanfordzkiego profesora fizyki oraz bioinżyniera Stephena Quake’a. Steve był znany ze swoich pionierskich badań w dziedzinie mikroprzepływów. Wynalazł malutkie biologiczne płytki obwodów z przełącznikami – coś w rodzaju węzłów kolejowych, dzięki którym można przesyłać komórki lub molekuły w wybrane mikromiejsca docelowe do analizy. Mieliśmy się spotkać w celu zaplanowania popołudniowego sympozjum dla Wydziału Genetyki na Uniwersytecie Stanforda. Gabinet Steve’a mieści się w budynku im. Jamesa H. Clarka – inżyniera elektryka i założyciela rezydujących w Dolinie Krzemowej firm, takich jak Silicon Graphics i Netscape. Budynek Clarka, zaprojektowany przez znanego brytyjskiego architekta Normana Fostera, ma kształt nerki z licznymi czerwonymi liniami i mnóstwem szkła. W nocy, kiedy jest jasno podświetlony, wygląda jak pozaziemski statek kosmiczny, który wylądował na środku kampusu. W zasadzie można powiedzieć, że trochę tak jest. Budowla ta w zamyśle miała stać się inkubatorem nowej specjalizacji: bioinżynierii – dziecka miłości, narodzonego z małżeństwa biologii z inżynierią. Odcinając się na tle kalifornijskiego krajobrazu pełnego słońca, błękitu nieba i palm, znajduje się między Wydziałem Medycyny i Inżynierii, rzut beretem od stanfordzkich szpitali. Ludzie przechodzący obok budynku Clarka mogą zajrzeć do środka przez okna i zobaczyć jasno oświetlone rzędy stołów laboratoryjnych, na których obok stanowisk biologii molekularnej stoją narzędzia inżynierów: roboty mieszają się z pipetami. A w ciągu dnia, po odszyfrowaniu dziwacznego i niepotrzebnie skomplikowanego systemu numeracji pokojów, jeśli człowiek ma szczęście, może znaleźć gabinet Steve’a na trzecim piętrze.

Steve jest archetypem profesora fizyki; wyszkolonym w Stanfordzie i Oksfordzie obrazoburcą. Rozmach i wszechstronność jego umysłu emanują z głowy zwieńczonej kępkami profesorskich włosów, które w czasach młodości zapewne rosły dziko i spontanicznie, tak jak jego wyobraźnia. Pokój Steve’a jest urządzony na podobieństwo jego umysłu – sterty chaotycznie „zorganizowanych” publikacji naukowych piętrzą się pod każdą ścianą i w każdym rogu. Profesor siedzi przygarbiony w samym środku, stukając w klawiaturę. Jego energia twórcza zdaje się zasilać wszystko dookoła. W kampusie pełnym ambitnych, nastawionych na osiąganie wyników osób Steve zdecydowanie się wyróżnia. Tamtego dnia pojawiłem się u niego, żeby porozmawiać o seminarium, które razem prowadziliśmy, mające na celu zebranie genetyków pracujących w naszym kampusie nad DNA człowieka. Nigdy jednak nie udało się nam wykonać tego założenia.

– Chodź, popatrz na to – powiedział. Znalazłem miejsce do siedzenia pośród stosów czasopism, a Steve wskazał na monitor. Na początku nie zrozumiałem, na co patrzę. Na ekranie widniało okno przeglądarki oraz tabelka z tytułem „Trait-o-matic” na samej górze. Był to jeden z prostych arkuszy, bez formatowania – takich, jakie można było znaleźć na najwcześniejszych stronach internetowych. Nie wyglądał estetycznie, ale to nie piękno mnie do niego przyciągnęło, lecz treść. Zobaczyłem mnóstwo kolumn z danymi. Nazwy genów, ich symbole, litery A, T, G i C – cegiełki genomu.

– Co to takiego? – spytałem.

Jego odpowiedź stała się punktem zwrotnym w życiu nas obu. Steve odezwał się rzeczowym tonem, z cieniem tak typowego dla niego niedomówienia. Było to zdanie równie skromne, co rewolucyjne:

– To mój genom.

W ramach przybliżenia sytuacji, był początek 2009 roku i na całym świecie zaledwie garstka ludzi mogła pochwalić się, że ich genom został w całości zsekwencjonowany. Każde kolejne takie przedsięwzięcie było związane z dziesięciokrotnym zmniejszeniem kosztów. Projekt Poznania Ludzkiego Genomu został ufundowany za 3 miliardy dolarów przez Wydział Energii oraz Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH, od ang. National Institutes of Health). I chociaż każdy późniejszy tego typu projekt był coraz tańszy, ceny nadal wstrząsały. Craig Venter, przedsiębiorca – odszczepieniec, który podjął wyścig z publicznym projektem odczytania genomu, zsekwencjonował swoją własną kompletną informację genetyczną za około 100 milionów dolarów. Genom anonimowego Chińczyka z grupy etnicznej Han został odczytany w 2008 roku za 2 miliony dolarów. Natomiast James Watson, zdobywca Nagrody Nobla, pospołu z Francisem Crickiem (ta dwójka wspólnie z Rosalind Franklin odkryła strukturę DNA) zsekwencjonował swój genom za pośrednictwem grupy w Baylor College of Medicine na początku 2008 roku za porównywalnie skromną sumę miliona dolarów. Każdy z tych projektów wymagał zaangażowania setek naukowców i wielu tysięcy godzin pracy, nie wspominając o sporej ilości trudu, potu i znoju. Steve zsekwencjonował swój genom rok później, korzystając z technologii, którą sam opracował, przy pomocy swojej pracownicy Normy Neff oraz doktoranta Dymitrya Pushkareva. Zrobił to we własnym laboratorium za jedyne 40 tysięcy dolarów i trwało to zaledwie tydzień.

Znałem metodę sekwencjonowania zarówno z własnego laboratorium, jak i z kliniki. Wysyłaliśmy próbki krwi naszych pacjentów do sekwencjonowania w ramach genetycznego testu, usiłując znaleźć przyczyny dziedziczonych chorób serca. Owe analizy pozwalały uzyskać zapis w literach ATGC około 5–10 genów, o których wiedzieliśmy, że są związane z chorobami kardiologicznymi. Próbowaliśmy w nich znaleźć jednoliterowe (zazwyczaj) zmiany, które mogły być tego przyczyną. W tamtym czasie przeanalizowanie owych 5–10 genów kosztowało około 5 tysięcy dolarów, a na wyniki trzeba było czekać 2–4 miesiące. Testy dawały nam odpowiedź mniej więcej w jednej trzeciej przypadków, zważywszy na to, że nadal znajdowaliśmy się na początku naszej misji dopasowywania genów do chorób. I taka właśnie była moja rzeczywistość. Myśl o tym, że można by mieć dostęp do całego genomu – nie do 5, 500, a nawet 5 tysięcy, ale do wszystkich 20 tysięcy genów, nie wspominając o pozostałych 98% DNA, które wypełnia przestrzeń między nimi, była wręcz oszałamiająca.

W tamtym czasie, wobec ciągle obniżających się kosztów sekwencjonowania genomu, kilkoro z nas zaczęło się zastanawiać, czy pewnego dnia pacjenci nie będą pojawiali się w naszych gabinetach, dzierżąc w rękach swoje genomy – dosłownie lub w przenośni. W Dolinie Krzemowej ludzie lubią porównywać wszystko do komputerów, ale gwałtownie spadające koszty sekwencjonowania i obróbki komputerowej były interesującą metaforą dla wielu ludzi spoza obszaru Zatoki Kalifornijskiej. Naukowcy zaczęli porównywać ów trend do prawa Moora. Gordon Moore, urodzony, wychowany i zamieszkały w tym regionie, był fizykiem, który wspólnie z Robertem „Bobem” Noycem przyczynił się do rozwoju i udoskonalenia układów scalonych, zakładając firmę Intel – obecnie największego na świecie producenta układów scalonych i mikroprocesorów półprzewodnikowych w Dolinie Krzemowej. W artykule z 1965 roku, komentując szybkie postępy technologiczne, Gordon Morre zaobserwował, że „ilość tranzystorów, które można dodać do układu scalonego, podwaja się mniej więcej co roku, a to oznacza, że cena komputerów obniża się o połowę w tych samych odstępach czasu”. Później Moore ustalił, że okres dwóch lat jest bardziej realistyczny, ale tym niemniej jego „prawo” stało się synonimem postępów technologicznych. Jeśli chodzi o sekwencjonowanie, często demonstrowano, że koszt tej technologii zmniejsza się w równie spektakularnym tempie – przynajmniej do 2008 roku, kiedy to gwałtowny spadek wydatków związanych z sekwencjonowaniem wygrał z prawem Moore’a w przedbiegach. Narodowy Instytut Badań nad Ludzkim Genomem opublikował sławetny wykres przedstawiający ostry spadek cen sekwencjonowania. Bardzo mi się podobał i tak jak wielu innych genetyków, często umieszczałem go w swoich prezentacjach. Wkrótce jednak znalazłem bardziej konkretny i intuicyjny sposób przedstawiania tego spektakularnego spadku cen. W drodze do pracy przejeżdżałem obok salonu samochodowego marek Ferrari–Maserati w pobliżu Atherton – obszaru zamieszkałego przez miliarderów, w samym sercu Doliny Krzemowej. Stojąc na światłach, często rzucałem spojrzenia na te samochody. Pewnego dnia czekałem na zielone, dokonując przypadkowych obliczeń matematycznych w głowie (chyba każdy tak robi, nie?) i nagle zdałem sobie sprawę, że gdyby ferrari stojące w oknie wystawowym taniało w takim tempie, jak sekwencjonowanie ludzkiego genomu w ciągu ośmiu lat od czasu opublikowania pierwszej wersji sekwencji przez Projekt Poznania Ludzkiego Genomu, to zamiast 350 tysięcy dolarów, kosztowałoby około 40 centów. Ferrari za 40 centów! Milionkrotna redukcja w cenie. To również wydawało się dość niezwykłe, więc dodałem ową ideę do moich prezentacji. Jeszcze do dzisiaj niektórzy ludzie mówią mi, że z moich wykładów pamiętają tylko to.

To prawda, że w 2009 roku, kiedy spisanie genomu Steve’a nadal kosztowało 40 tysięcy dolarów, pomysł, że pacjenci zaczną do nas przychodzić ze swoimi sekwencjami genetycznymi, był na tyle realistyczny, co posiadanie przeze mnie ferrari. Futuryzm jest jednak bardzo silnym bodźcem dla wyobraźni. Czy nie powinniśmy się przygotować na nadejście takiego dnia? Owszem, czekają nas wyzwania obliczeniowe i mamy nadal ogromne luki w wiedzy, ale gdybyśmy zdołali nie tylko zsekwencjonować, ale odszyfrować genom – nie tylko przeczytać książkę, ale zrozumieć ją – gdybyśmy potrafili zmienić dane w wiedzę, a potem wykorzystać ją do leczenia naszych pacjentów? Niesamowity pomysł.

Znalazłem się więc w gabinecie Steve’a, który zaczął zadawać mi pytania na temat przeróżnych genów, wskazując na miejsca na ekranie, w których jego własny zapis DNA różnił się od genomu referencyjnego (o którym porozmawiamy później, w rozdziale szóstym).

– Rozpoznajesz coś może? – spytał.

Przejrzałem szybko listę nazw i zauważyłem gen, który znałem naprawdę dobrze: gen białka C, wiążącego miozynę typu sercowego. Koduje on proteinę, która jest bardzo ważną częścią motoru molekularnego w mięśniu sercowym. Jego prawdziwa funkcja umykała naukowcom przez wiele lat, ale teraz wiemy, że warianty tego genu są najczęstszą przyczyną dziedzicznej choroby serca, tzw. kardiomiopatii przerostowej. Jest to schorzenie prowadzące do niewydolności serca i związane z większą liczbą nagłych zgonów. A ja wpatrywałem się w genom Steve’a, który wskazywał właśnie na mutację w dokładnie tej części swojego genomu. Istniała szansa, że modyfikacja tego genu mogła zagrażać jego życiu, a więc oczywiście jako kardiolog zacząłem wypytywać go o jego historię chorób. Czy ma jakieś dolegliwości? Jakieś objawy? Ból w klatce piersiowej? Duszności? Palpitacje? Przestałem być naukowcem, który odwiedził kolegę po fachu w jego gabinecie, i stałem się lekarzem rozmawiającym z pacjentem – całkiem innym rodzajem detektywa, szukającego bardzo osobistych, prywatnych prawd. Ku mojej uldze Steve nie doświadczył żadnego z powyższych objawów i nie cierpiał na żadną znaną chorobę.

Przeszedłem więc do historii rodziny. Oznacza to różne rzeczy, w zależności od lekarza. Niektórzy muszą dla porządku spytać: „Żadnej historii choroby w rodzinie?” tylko po to, żeby odhaczyć punkt na liście. Dla genetyka lub diagnostyka rzadkich chorób jest to skrzynia pełna skarbów, sejf pełen wskazówek, przez które należy się przedrzeć, rozłożyć na czynniki pierwsze, przeanalizować i złożyć z powrotem. Ten rodzaj diagnostyków traktuje historię medyczną rodziny tak, jak Sherlock Holmes miejsce zbrodni: przyglądają się wszystkim najdrobniejszym szczegółom pod każdym możliwym kątem, wypytują, przesłuchują, a potem zastanawiają się. Mimo to niewielu z nas tak naprawdę zna pełną historię medyczną swoich rodzin. Sami spróbujcie się przekonać. Sporządźcie listę chorób, z którymi mieliście do czynienia w waszej rodzinie, a potem zapiszcie przy każdej pozycji imiona krewnych, którzy cierpieli na daną chorobę, a także ich wiek, gdy zostali zdiagnozowani. To nie takie proste. Zadałem Steve’owi to pytanie, a on, podobnie jak większość pacjentów, odpowiedział bardzo szybko:

– Nie, żadnych chorób serca w rodzinie. – A potem, jakby nagle otworzył zakurzoną teczkę z dokumentami, wciśniętą gdzieś w najgłębszy kąt szuflady, dodał: – Ale zaraz, mój tata miał jakieś problemy z sercem… coś z nieprawidłowym rytmem komorowym…

– Tachykardia? – podpowiedziałem usłużnie, nie spodziewając się, że trafię. Zareagowałem po prostu odruchowo, oferując najgorszy z możliwych scenariuszy (jak to każdy lekarz). Częstoskurcz komorowy polega na nieprawidłowej przyspieszonej czynności skurczowej serca. Jego przyczyną może być między innymi kadiomiopatia przerostowa.

– Tak, chyba właśnie to.

W tej chwili moją ciekawość przyćmił niepokój. W przypadku częstoskurczu komorowego normalna skoordynowana aktywność obu komór serca zmienia się w niebezpiecznie nieregularny rytm, który prowadzi do niewydolności w pompowaniu krwi. Zmniejszony przepływ krwi do mózgu oznacza utratę przytomności i szybkie zakończenie życia. Jest to rytm, który wzbudza strach u wielu lekarzy, ponieważ niemal zawsze oznacza stan krytyczny i wskazanie do natychmiastowego leczenia. Kiedy medycy są wzywani do pacjenta z tachykardią, puszczają się biegiem. Już sama nazwa opisuje szybki rytm, który wywołuje nieprzyjemny sygnał alarmowy na szpitalnych monitorach. Jest to rytm, który krzyczy: „Zrób coś natychmiast!”, szybki, przerażający i czasami śmiertelny.

Podsumujmy sytuację: przyszedłem na spotkanie z moim nowym kolegą Steve’em – światowej sławy naukowcem, aby omówić seminarium genetyczne. Ostatecznie rozmawialiśmy o tym, że częstoskurcz komorowy – związany z syndromem nagłej śmierci – u jego taty najprawdopodobniej miał przyczyny genetyczne, a ja – kardiolog specjalizujący się w dziedzicznych chorobach serca związanych z podwyższonym prawdopodobieństwem nagłej śmierci, wpatrywałem się w genom Steve’a, a konkretnie na szczególny wariant genu, który jest związany z występowaniem kardiomiopatii przerostowej, dziedzicznej przyczyny nagłego zgonu sercowego.

– A czy ktoś kiedyś w twojej rodzinie zmarł dość nagle? – spytałem. To pytanie jest bez wątpienia najskuteczniejszym narzędziem. Tego typu pytania i odpowiedzi na nie są dla lekarza tym, czym narzędzia dla chirurga. Każdy chirurg ma swoje ulubione narzędzia, niektóre z nich są wykonywane na zamówienie. Idealnie leżą w dłoni, są świetnie wyważone i każdy chirurg wie dokładnie, jak każde z nich zachowa się podczas operacji, w jaki sposób zareagują na niego tkanki. Pytania takie jak to, jeśli zostają zadane w odpowiednim momencie i w odpowiedni sposób, zachowują się niczym diagnostyczny skalpel.

– W zasadzie to owszem… syn mojego kuzyna całkiem niedawno zmarł zupełnie nagle, całkiem bez przyczyny.

Trafiony zatopiony!

Mamy zatem historię nagłej, niewyjaśnionej śmierci w rodzinie. Najczerwieńsze z czerwonych światełek zamigało mi tuż przed oczami w pełnej krasie. Starając się nie okazywać podekscytowania, przeprowadziłem w głowie znacznie mniej niedbałe obliczenia prawdopodobieństwa, z jakim Steve może dzielić tę samą wadę genetyczną z synem swojego krewnego.

– Och, doprawdy? A ile miał lat?

– Tylko dziewiętnaście. Czarny pas w karate i zdaje się, że nie przechorował ani jednego dnia w swoim życiu.

Nastawiłem uszu. Najczęstszą przyczyną nagłej śmierci u młodych ludzi jest dziedziczna choroba serca, taka jak kardiomiopatia przerostowa. Zaprosiłem Steve’a do mojej kliniki w celu zbadania go i właśnie w tamtej chwili stał się nie tylko moim kolegą i przyjacielem, ale również moim pacjentem. Niecałą nanosekundę później, zastanawiając się nad tym, jak to wszystko zorganizować – jak szybko będę mógł załatwić mu testy kardiologiczne i ile przysług będę musiał być z tego powodu winien – zdałem sobie sprawę, że Steve stanie się pierwszym pacjentem na świecie, który przyjdzie na wizytę do lekarza, przynosząc ze sobą sekwencję swojego genomu.

Kompletną sekwencję.

A tym lekarzem byłem ja.

Wróciłem do swojego biura z głową pełną możliwości i niemożliwości. Jak zabrać się do analizy genomu? W tamtych czasach idea interpretacji całej informacji genetycznej człowieka wydawała się równie przedwczesna, co absurdalna. Kilka kompletnych, opublikowanych już genomów zostało przeanalizowanych głównie pod kątem statystycznym: np. znaleźliśmy tyle wariantów wy stępowania danej litery. Zespół naukowy na Uniwersytecie Baylora posunął się dalej, analizując warianty ważnych medycznie genów w genomie Jima Watsona, jednak rozszerzenie tego medycznego podejścia na całą informację genetyczną, czyli każdy wariant każdego genu, było przedsięwzięciem, na które nikt wtedy nie miał jeszcze praktycznego pomysłu.

Odszukałem więc jednego z moich stażystów kardiologów (teraz już wieloletniego współpracownika i przyjaciela, niezwykle utalentowanego naukowca klinicznego), Matthewa Wheelera. Matt pochodzi z Nowego Jorku, szkolił się w Chicago, zanim przybył do Stanfordu. Był wysoki i szeroki w barach – na tyle, że potrafił rozpędzić łódkę wiosłową do sporej prędkości, a jednocześnie na tyle zwinny, aby wyglądać w trakcie tej aktywności o niebo lepiej niż ja podczas jazdy na nartach. Spotkanie zostało zaaranżowane przez nasze żony podczas przyjęcia dla załogi w jego klubie wioślarskim. Szybko okazało się, że nas oboje pasjonuje kardiologia, genetyka, sporty oraz dziedziczne choroby serca. Tamtego dnia rozmawialiśmy o pomyśle stworzenia Centrum Dziedzicznych Chorób Sercowo-Naczyniowych. Pięć lat później, kiedy spotkaliśmy się w moim gabinecie (który później stał się jego biurem), opowiedziałem mu o genomie Steve’a, o historii medycznej jego rodziny oraz o pomyśle, który powstał w mojej głowie po tym, jak wyszedłem ze spotkania z nim. Była to, powiedzmy sobie, idea klinicznego przeanalizowania całego ludzkiego genomu – każdej pozycji, każdego genu, każdego allelu. Odpowiedź Matta była jak zwykle spokojna, wygłoszona niemal sotto voce i przepowiadająca przygodę, którą mieliśmy obaj wkrótce rozpocząć:

– Cieszę się, że ambicja jeszcze nie opuściła murów tej szacownej budowli.

Ludzki genom znajduje się wewnątrz niemal każdej komórki naszego ciała. Niemal, ponieważ niektóre rodzaje komórek, jak np. czerwone krwinki, tracą go w trakcie dojrzewania (w tym przypadku, żeby zrobić więcej miejsca na upakowanie tlenu). Znajduje się on w „wewnętrznym sejfie” komórki, czyli jądrze komórkowym, chociaż niektóre geny znajdują się w „akumulatorach” komórki, czyli mitochondriach. Jak wspomniałem wcześniej, genom zbudowany jest z bardzo długich cząsteczek DNA. Każdy łańcuch DNA zbudowany jest z nukleotydów – specjalnych cukrów z przyłączoną jedną z czterech zasad: adeniną, tyminą, guaniną i cytozyną. Pierwsze litery tych nazw – ATGC – tworzą kod genetyczny o długości 6 miliardów liter. Cząsteczki DNA są tak długie, że gdyby udało się rozciągnąć jego nić z jądra jednej komórki, miałaby dwa metry. Dlatego musi być upakowane, żeby zmieścić się w małym jądrze komórkowym. DNA nawinięte jest na specjalne białka, czyli histony, i ściśnięte w strukturę zwaną chromatyną. Chromatyna tworzy indywidualne chromosomy. Każdy normalny ludzki genom zawarty jest w 23 parach chromosomów: 22 zwyczajnych i jednej parze chromosomów płciowych – kombinacji X i Y (kobiety mają dwa chromosomy X, zaś mężczyźni jeden X i jeden Y). Niektóre schorzenia wynikają z duplikacji całego chromosomu: np. trisomia chromosomu 21 (kiedy mamy do czynienia z trzema kopiami chromosomu 21) jest znana jako zespół Downa. Podsumowując, genom jest książką kucharską znajdującą się w niemal każdej komórce naszego ciała. Składa się z 6 miliardów kombinacji liter ATG i C i jest upakowany w chromosomy, których większość ludzi ma 23 pary.

Owa książka kucharska zawiera spis składników wraz z dokładnymi instrukcjami postępowania. Składnikami są geny, które różnią się od siebie wielkością: najmniejszy ma długość zaledwie ośmiu liter (lub inaczej par zasad), zaś najdłuższy – 2473559. Większość genów to po prostu instrukcje budowy białka. Aby doprowadzić do jego syntezy, DNA musi zostać przepisane na pokrewną cząsteczkę zwaną kwasem rybonukleinowym (RNA), która wynosi szyfr danego białka jak przesyłkę poza jądro. Następnie wiadomość zawarta w RNA jest tłumaczona, po trzy litery na raz, na aminokwasy, które są cegiełkami tworzącymi białka. Białka spełniają w komórce różnorakie funkcje. Białka strukturalne utrzymują komórkę w odpowiednim kształcie, białka motoryczne pomagają przesuwać różne substancje w różne części komórki, a enzymy pomagają przekształcać jedną cząsteczkę w inną. Mimo to około 20 tysięcy genów kodujących wszystkie nasze białka stanowi zaledwie 2% genomu. Co z pozostałymi 98%? Dzisiaj wydaje się niewyobrażalne, że przez wiele lat ta część genomu była określana jako „DNA śmieciowe”. Oznaczało to głównie, że nikt nie wiedział tak naprawdę, do czego służy. Nasza naiwność, która pozwoliła założyć, że matka natura nie wykorzystuje ogromnej części naszego genomu, z roku na rok zawstydza nas coraz bardziej, kiedy odkrywamy coraz więcej tajemnic tego „nieczynnego” genomu. Okazuje się, że ta „niekodująca” część naszego materiału genetycznego pełni ważną rolę w ustalaniu, czy geny są włączone, czy nie. Poza tym około połowy genów ma powiązane ze sobą pseudogeny w tej właśnie części genomu. Są to kopie genu, które przestały funkcjonować (a przynajmniej tak na początku sądziliśmy – teraz wiemy, że pseudogeny mogą regulować aktywność innych genów, zwłaszcza tych „partnerskich”). Niektóre fragmenty „nieczynnego” DNA rzeczywiście wyglądają jak śmieci: połowa genomu składa się z powtarzających się sekwencji, których funkcji nadal jeszcze tak naprawdę nie rozumiemy. Na dodatek niemal 10% genomu wywodzi się od wirusów, które dawno temu, w przeszłości, zintegrowały się z nicią DNA. Zupełne wariactwo, nie? Pamiętajcie o tym fakcie następnym razem, kiedy dopadnie was przeziębienie.

Odcyfrowanie czegoś tak skomplikowanego jak genom przez długi czas wydawało się niemożliwe. W latach 70. zaproponowano dwie metody sekwencjonowania, ale naukę zdominowała jedna z nich, wymyślona przez Frederica Sangera. Był on brytyjskim naukowcem, który chociaż otrzymał dwie Nagrody Nobla i prowadził dwójkę doktorantów – później również laureatów tej nagrody, opisywał siebie jako „zwykłego gościa, który kręcił się po laboratorium”. Metoda Sangera, która zdominowała technologię sekwencjonowania DNA na całe dziesięciolecia i nadal pełni ważną rolę, wykorzystuje istnienie molekularnej maszyny kopiującej, obecnej we wszystkich naszych komórkach, zwanej polimerazą DNA[1].

Aby wyjaśnić metodę sekwencjonowania Sangera, będę musiał posłużyć się nieco bardziej technicznym językiem. Wyobraźcie sobie, że macie cztery probówki, oznaczone literą A, T, G albo C. W każdej z nich umieszczamy naszą „maszynę kopiującą DNA”, cząsteczki DNA, które chcemy powielić oraz cegiełki molekularne, z których to DNA powstaje (A, T, C i G). Następnie do każdej probówki dodajemy szczególną odmianę wybranej cegiełki molekularnej, odpowiadającej literze na tubce. Ważne jest również to, że dodajemy jej tylko trochę w porównaniu z normalnymi nukleotydami. Wyobraźcie sobie teraz, że maszyna kopiująca DNA zaczyna pracę, chwytając poszczególne cegiełki budujące DNA, obecne w mieszance. Oczywiście istnieje dużo większe prawdopodobieństwo, że wybierze zwykły nukleotyd, a nie ten specjalnie zmodyfikowany, ponieważ tych zwyczajnych jest dużo więcej. W którymś momencie jednak nawinie jej się ten z przyczepioną chorągiewką. W tym momencie maszyna kopiująca DNA przerywa pracę, a fragment DNA, który do tej pory wytworzyła, jest oznaczony radioaktywnym atomem. Maszyna kopiująca porzuca ten kawałek nici DNA i zaczyna kopiowanie od początku. Cały proces powtarza się wiele razy. W efekcie uzyskujemy cztery probówki, zawierające fragmenty DNA o różnej długości. Probówka z literą A zawiera te fragmenty, które kończą się na radioaktywnej adeninie, probówka z literą T – fragmenty oznakowane radioaktywną tymidyną i tak dalej. Aby odczytać sekwencję naszej oryginalnej molekuły DNA, mieszanina fragmentów z każdej probówki jest przepuszczana przez specjalny żel, używając do tego ładunku elektrycznego. Poszczególne fragmenty poruszają się szybciej lub wolniej wzdłuż żelu, w zależności od ich długości. Dzięki obecnym w nim radioaktywnym fragmentom można wykonać „fotografię” poprzez ekspozycję żelu na specjalnej kliszy. Uzyskujemy wtedy cztery długie, wąskie paski, które przypominają trochę drabinę z wieloma brakującymi szczeblami. Kiedy wszystkie te paski położymy obok siebie, zaczniemy dostrzegać magię tej metody. Każdy szczebelek występuje tylko na jednej z fotografii. Pasek, na którym się on pojawia, odpowiada jednej z czterech liter w tej pozycji: A, T, G i C.

Jeżeli nie zrozumieliście tego, proszę o cierpliwość. Ten pracochłonny proces został przyspieszony i skomercjalizowany za sprawą trzech przełomowych postępów technologicznych: i) radioaktywność została zastąpiona cząsteczkami emitującymi światło, ii) całą reakcję zaczęto przeprowadzać w jednej probówce oraz iii) cząsteczki są rozdzielane szybciej i efektywniej w oparciu o ich ładunek elektryczny. Technologia owa, odczytująca kopie DNA długie na około 500 liter, została opracowana przez firmę Applied Biosystems i stała się podstawową techniką sekwencjonowania w Projekcie Poznania Ludzkiego Genomu.

Spisanie drugiego ludzkiego genomu zostało przeprowadzone przy użyciu tej samej technologii i zakończyło się mniej więcej w tym samym czasie co Projekt Poznania Ludzkiego Genomu. DNA należało do Craiga Ventera, naukowca, który założył firmę mającą na celu sekwencjonowanie i patentowanie (przynajmniej w założeniu) ludzkich genów. Venter wywołał prawdziwą burzę, stając do wyścigu z programem publicznym (koniec końców oznajmiono remis). Zsekwencjonowanie genomu Ventera kosztowało około 100 milionów dolarów (reprezentując niesamowitą obniżkę ceny naszego ferrari z oryginalnych 350 tysięcy dolarów do zaledwie 12 tysięcy). Wiele przełomowych odkryć w biologii można by porównać (jeśli nie treścią, to choćby językiem) do fantastyki naukowej. Być może właśnie dlatego narodziło się tak zwane sekwencjonowanie „nowej generacji”. Jean-Luc Picard ze Star Treka byłby dumny. A ponieważ naturalnie słowo „nowe” jest określeniem względnym, a nie absolutnym, zapewne nieunikniony stał się fakt, że wszystkie technologie sekwencjonowania, które pojawiły się po metodzie Sangera, w którymś momencie nazywano „nową generacją”. Jest to podarunek, który wciąż dostarcza nam bodźców – a tym bodźcem jest niejasność. Ale jedną cechą, którą wszystkie technologie „nowej generacji” mają ze sobą wspólną, jest ich zdolność rozszerzania możliwości sekwencjonowania. Zamiast koncentrować się na tej części genomu, którą chce się poznać – i zamiast tworzyć kopie tylko i wyłącznie tego fragmentu i sekwencjonowanie go metodą Sangera – można wziąć cały genom, pociąć go na mniejsze fragmenty (mniej więcej długości 100 liter) i zsekwencjonować je wszystkie w tym samym czasie. Coś takiego daje potężne turbo doładowanie procesowi sekwencjonowania.

Oczywiście dopracowanie tego typu zaawansowanych technologii zajęło sporo czasu. Minęło siedem lat, zanim został opublikowany kolejny ludzki genom, pochodzący w całości od jednego osobnika. W 2007 roku DNA noblisty Jamesa Watsona zostało spisane przy wykorzystaniu technologii opracowanej przez firmę 454 (ufundowaną przez przedsiębiorcę Jonathana Rothberga), wykorzystanej przez zespół naukowy na Wydziale Medycyny na Uniwersytecie Baylora, prowadzony przez australijskiego genetyka Richarda Gibbsa. Tajemnicza firma 454 została w tym samym roku wykupiona przez giganta Roche ze względu na jej metodę sekwencjonowania bardzo długich fragmentów DNA (początkowo były to nici długości 400–500 par zasad, ale późniejsze udoskonalenia tej techniki pozwalały na odczytywanie fragmentów o długości nawet 1000 liter). Według analizy naukowców z Uniwersytetu Baylora genom Watsona sugerował predyspozycje do raka. Dodatkowo Watson nie pozwolił udostępnić szerszej publiczności statusu wariantu genu, który predysponował go do zapadnięcia na chorobę Alzheimera. Zsekwencjonowanie genomu Watsona zajęło dwa miesiące i kosztowało milion dolarów. Cena ferrari spadła do 116 dolarów.

Dość szybko inne grupy naukowe opublikowały sekwencje trzech kolejnych genomów (pozostały one anonimowe) – pod koniec 2008 roku i na początku 2009. Wszystkie zostały przeanalizowane przy użyciu technologii opracowanej przez firmę Illumina – dominującą siłę w dziedzinie sekwencjonowania w ostatnim dziesięcioleciu. Co ważniejsze, owe genomy zaczęły reprezentować różnorodność biologiczną: jeden dawca był Chińczykiem z rasy Han, drugi – Koreańczykiem, a trzeci pochodził z Afryki Zachodniej. Ostatnia publikacja zawierała również serię medycznych komentarzy dotyczących genomu i wykorzystywała nawet wczesną wersję programu komputerowego Trait-o-matic, który po raz pierwszy było mi dane zobaczyć w gabinecie Steve’a. Sekwencjonowanie każdego z tych trzech genomów zajęło około 6–8 tygodni i kosztowało kilkaset tysięcy dolarów: trzy ferrari, każde w cenie 50 dolarów.

Genom Steve’a wyróżniał się z kilku powodów. Po pierwsze to właśnie Steve wynalazł technikę sekwencjonowania genomu i założył firmę Helicos, żeby wprowadzić na rynek instrument, który wymyślił, nazwany przez niego Heliskopem. Technologia Helicosu różniła się od metody Sangera i Illiuminy tym, że sekwencjonowało się pojedyncze cząsteczki DNA. Nukleotydy były znakowane fluorescencyjnie i przepuszczane strumieniem przez matrycę, na której znajdowały się przyczepione fragmenty DNA. Za każdym razem, gdy nasza „maszyna kopiująca”, czyli polimeraza, wbudowywała fluorescencyjny polimer do nowej nici DNA, bardzo czuły aparat fotograficzny wykonywał zdjęcia – coś w rodzaju fotografii malutkiej, zapalającej się nagle żaróweczki. Następnie etap płukania usuwał daną „żaróweczkę”, po czym pojawiała się następna, również sfotografowana po wbudowaniu w nową nić. I tak dalej, i tak dalej. Oczywiście taka fotografia nie utrwalała wyłącznie jednej rozświetlonej „żaróweczki”, ale całe ich miliony za jednym zamachem. Oznaczało to, że w ciągu jednego tygodnia można było uzyskać dane z całego genomu ludzkiego za cenę jedynych 40 tysięcy dolarów. A zatem nasze ferrari, Drodzy Państwo, zostałoby złożone w ciągu niecałej godziny, zaś jego cena spadłaby do sześciu dolarów.

Zapewne potraficie sobie wyobrazić, że wszystkie te metody „nowej generacji” pozwoliły uzyskać sekwencje milionów „wyrazów” genomu, czyli krótkich fragmentów DNA, które wprowadzane są do sekwensera. Oczywiście „wyrazy” te uzyskiwane są w przypadkowym układzie i żeby je zrozumieć, trzeba je odpowiednio zorganizować – złożyć razem tak, jak się układa puzzle. Zazwyczaj dokonują tego programy komputerowe, które skanują ludzki genom referencyjny (sekwencję stworzoną przez Projekt Poznania Ludzkiego Genomu) i odnajdują właściwą pozycję dla każdego nowego „słowa”. W tej chwili takie programy są czymś normalnym, ale pamiętajmy, że kiedyś ktoś musiał napisać pierwszy od zera. Zadanie to przypadło Dimitriowi Puszkarewowi z laboratorium Steve’a – wysokiemu, szczupłemu magistrantowi z Rosji, który miał wystarczająco siły, żeby programować nocami, zaś w dzień oddawać się rozmaitym przygodom. Dimitri stworzył jedne z pierwszych programów, które umiały połączyć ze sobą fragmenty genomu i znaleźć miejsca, w których sekwencja różniła się od genomu referencyjnego. I właśnie z tymi danymi i tymi algorytmami rozpoczęliśmy naszą pracę.

Ciąg dalszy w wersji pełnej

[1] Polimerazy DNA wykorzystywane w sekwencjonowaniu Sangera są enzymami pochodzenia bakteryjnego, a nie ludzkiego (wszystkie przypisy pochodzą od tłumaczki).

Tytuł oryginału: The Genome Odyssey

Copyright © 2021 by Euan Angus Ashley

All rights reserved

Copyright for the Polish edition © 2020 by Wydawnictwo FILIA

Wszelkie prawa zastrzeżone

Żaden z fragmentów tej książki nie może być publikowany w jakiejkolwiek formie bez wcześniejszej pisemnej zgody Wydawcy. Dotyczy to także fotokopii i mikrofilmów oraz rozpowszechniania za pośrednictwem nośników elektronicznych.

Wydanie I, Poznań 2021

Projekt okładki: Mariusz Banachowicz

Zdjęcia na okładce: © Images 4 All/Shutterstock

Redakcja i korekta: RedKor Agnieszka Luberadzka

Skład i łamanie: Sandra Holona-Biegun

Konwersja publikacji do wersji elektronicznej:

„DARKHART”

Dariusz Nowacki

darkhart@wp.pl

eISBN: 978-83-8195-677-2

Wydawnictwo FILIA

ul. Kleeberga 2

61-615 Poznań  

wydawnictwofilia.pl

kontakt@wydawnictwofilia.pl

Seria: FILIA NA FAKTACH