קונסורציום טלומר־לטלומר שחזר בנפרד את רצפי הכרומוזומים שהתקבלו משני הוריו של התורם HG002. התוצאה מכסה 99.4% מהגנום הדיפלואידי ומוסיפה לאמת המידה יותר מ־900 מיליון אותיות דנ״א שלא נכללו בבדיקות קודמות
מדענים הצליחו לשחזר בדיוק גבוה במיוחד כמעט את מלוא הגנום הדיפלואידי של אדם חי – כלומר את מכלול רצפי הכרומוזומים שקיבל מאמו ומאביו. ההישג מספק לחוקרים אמת מידה חדשה לבדיקת הדיוק של טכנולוגיות ריצוף והרכבת גנומים, ועשוי בעתיד לשפר את האבחון של מחלות גנטיות ואת התאמת הטיפול למטופל.
העבודה נעשתה במסגרת פרויקט Q100 של קונסורציום טלומר־לטלומר (T2T), בשיתוף חוקרים מאוניברסיטת ג׳ונס הופקינס, המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי בארצות הברית, המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST), קונסורציום גנום האדם בפנגנום וקונסורציום Genome in a Bottle. המאמר פורסם בכתב העת Cell כחלק מחבילה של 12 מאמרים ב־Cell וב־Cell Genomics.
הכינוי Q100 מתאר את שאיפת הפרויקט להגיע לרמת דיוק המקבילה לשגיאה אחת לכל עשרה מיליארד אותיות דנ״א. עם זאת, אין פירוש הדבר שכל אות בגנום ששוחזר כבר עומדת ברמה הזאת. הגרסה הנוכחית של הגנום מדויקת מאוד, אך נותרו בה פערים מצומצמים, בעיקר במערכי דנ״א ריבוזומלי חוזרניים. אמת המידה המדעית שהוגדרה במחקר מכסה 99.4% מהגנום הדיפלואידי של הדגימה.
מה באמת חדש בהישג
החידוש אינו עצם ריצופו של גנום מאדם חי. גנומים של בני אדם רבים כבר רוצפו בעבר. פריצת הדרך היא היכולת להרכיב כמעט בשלמות ובנפרד את שני ההפלוטיפים – שתי גרסאות הכרומוזומים שהאדם ירש מהוריו – ולוודא את דיוק התוצאה במידה המאפשרת להשתמש בה כאמת מידה לבדיקת טכנולוגיות אחרות.
מרבית שיטות הריצוף הקיימות אינן מרכיבות מחדש את הגנום השלם של הנבדק. במקום זאת הן קוראות מיליוני מקטעים קצרים ומשוות אותם לגנום ייחוס היסטורי, דוגמת GRCh38. השיטה יעילה וזולה יחסית, אך היא עלולה להחמיץ אזורים שאינם מופיעים היטב בגנום הייחוס, ובייחוד רצפים חוזרניים, שינויים מבניים גדולים ואזורים שבהם הגנום של הנבדק שונה במידה ניכרת מהייחוס.
גם אמות המידה ששימשו עד כה לבדיקת מערכות ריצוף התבססו בדרך כלל על רשימות של הבדלים בין דגימת הבדיקה לבין גנום הייחוס. כתוצאה מכך, אזורים שקשה למפות אל הייחוס לא נכללו בבדיקה. בפרויקט Q100 מציעים החוקרים להשתמש בגנום הדיפלואידי המורכב עצמו כאמת המידה, וכך לבחון את ביצועי מערכות הריצוף גם באזורים המורכבים ביותר.
שני פאזלים כמעט זהים
בשנת 2022 הודיע קונסורציום T2T על השלמת 8% החסרים בגנום האנושי הראשון שרוצף כמעט ללא פערים. הגנום ההוא, CHM13, הגיע מקו תאים בעל מבנה גנטי יוצא דופן שבו שני עותקי הכרומוזומים כמעט זהים. התכונה הזאת הקלה במידה ניכרת על ההרכבה.
הפעם עבדו החוקרים עם HG002, דגימה מתורם חי המשמשת כבר שנים חומר ייחוס בתעשיית ריצוף הדנ״א ובמעבדות אבחון. בדומה למרבית בני האדם, העותקים האימהיים והאבהיים של הכרומוזומים בדגימה דומים מאוד, אך אינם זהים.
פרופ׳ אדם פיליפי מאוניברסיטת ג׳ונס הופקינס השווה את המשימה להרכבת שני פאזלים דומים שחלקיהם עורבבו באותה קופסה: על החוקרים לקבוע לא רק היכן נמצא כל מקטע דנ״א, אלא גם לאיזה מהעותקים ההוריים הוא שייך. האתגר קשה במיוחד באזורים שבהם מופיעות חזרות ארוכות וכמעט זהות.
כדי לפתור את הפאזל שילב הצוות כמה טכנולוגיות ריצוף המסוגלות לקרוא מקטעי דנ״א ארוכים ומדויקים, ובהן טכנולוגיות של Pacific Biosciences ושל Oxford Nanopore. תוכנת ההרכבה Verkko, לצד תיקונים ידניים ובדיקות באמצעות שיטות נוספות, שימשה להפרדת הרצפים לשני ההפלוטיפים ולחיבורם לאורך הכרומוזומים.
יותר מ־900 מיליון אותיות נוספות
אמת המידה החדשה מוסיפה 701.4 מיליון אותיות דנ״א בכרומוזומים האוטוזומליים ועוד 216.8 מיליון אותיות בכרומוזומי המין. בסך הכול מדובר בכ־918 מיליון אותיות, שהן 15.3% מהגנום הדיפלואידי ושלא נכללו באמות המידה הקודמות.
בין האזורים שנוספו נמצאים צנטרומרים, רצפים כפולים, מקטעים חוזרניים ואזורים שבהם קיימים שינויים מבניים נרחבים. חלקם כוללים גנים בעלי חשיבות רפואית או נמצאו קשורים לסרטן, להפרעות נוירולוגיות, לפעילות מערכת החיסון ולמחלות גנטיות אחרות.
צוות בראשות הביולוג החישובי פרופ׳ סטיבן זלצברג והדוקטורנט היון ג׳ו „היידן” ג׳י מאוניברסיטת ג׳ונס הופקינס זיהה את הגנים בשני עותקי הכרומוזומים. החוקרים דיווחו על 39,144 מופעים של גנים מקודדי חלבון בשני ההפלוטיפים יחד. אין מדובר במספר כזה של גנים אנושיים שונים, אלא בספירת העותקים המופיעים בשני מערכי הכרומוזומים.
מעבדתו של פרופ׳ מייקל שאץ השתתפה במאמץ נרחב לאימות הרצף. לדברי ג׳סטין זוק מ־NIST, שחזורו המלא כמעט של הגנום מעניק למפתחי טכנולוגיות הריצוף תקן שבעזרתו יוכלו למדוד ולשפר את הדיוק דווקא באזורים המורכבים ביותר.
הרכבה מחדש במקום חיפוש הבדלים
החוקרים פיתחו גם כלים המאפשרים להשוות לאמת המידה החדשה קריאות ריצוף, רשימות של שינויים גנטיים וגנומים שהורכבו מחדש. בניתוחיהם נמצא ששיטות מתקדמות להרכבת גנום ללא הסתמכות ישירה על גנום ייחוס הצליחו לפענח 2%–7% יותר מן הרצף, ובכמה מדדים השיגו דיוק גבוה בסדר גודל מזה של שיטות מסורתיות לזיהוי וריאנטים.
מבחינה עקרונית, זהו מעבר מחיפוש הבדלים בין אדם לבין גנום ייחוס יחיד לשחזור הגנום הייחודי של אותו אדם. גישה כזאת עשויה לצמצם את „הטיית הייחוס” – מצב שבו איכות הניתוח תלויה במידת הדמיון בין הנבדק לבין האדם או קבוצת האוכלוסייה שתרמו ליצירת גנום הייחוס.
עם זאת, גנום של אדם אחד אינו יכול לייצג את מלוא המגוון הגנטי האנושי. לשם כך נדרשים גם פרויקט הפנגנום האנושי ומאמצים נוספים לאיסוף גנומים מלאים מאוכלוסיות וממוצאים גאוגרפיים שונים. HG002 חשוב במיוחד כאמת מידה טכנולוגית, אך הוא אינו מחליף מאגר רחב ומגוון של גנומים אנושיים.
התקווה: יותר תשובות במחלות נדירות
אחד השימושים האפשריים הוא אבחון מחלות גנטיות נדירות, במיוחד אצל ילדים. למרות ההתקדמות בריצוף, בחלק גדול מהמקרים שבהם עולה חשד למחלה גנטית לא מצליחים הרופאים לזהות את הסיבה. לעיתים הגורם נמצא באזור שהשיטות הקיימות אינן קוראות היטב, או בשינוי מבני מורכב שאינו מתגלה בהשוואה רגילה לגנום הייחוס.
גנום אישי מלא יותר עשוי לאפשר זיהוי של שינויים כאלה. הוא עשוי גם לשפר את חקר הגנים BRCA1 ו־BRCA2, המשמשים להערכת הסיכון לסרטן השד והשחלה, וכן את המחקר של מחלות לב, הפרעות חיסוניות ומצבים נוירופסיכיאטריים.
אבל המחקר הנוכחי אינו ניסוי קליני ואינו מוכיח עדיין שיישום השיטה יגדיל בפועל את שיעור האבחונים בחולים. הוא מספק תשתית טכנולוגית ואמת מידה שבעזרתן אפשר יהיה לפתח ולבדוק שיטות כאלה. גם כאשר מתקבל רצף מדויק, נותר האתגר הקשה של פירוש השינויים הגנטיים וקביעה אילו מהם גורמים למחלה ואילו הם הבדלים טבעיים וחסרי משמעות רפואית.
מ־5 מיליארד דולר לכ־5,000 דולר
לדברי פיליפי, עלותו של פרויקט הגנום האנושי, שהסתיים בשנת 2003, הייתה כחמישה מיליארד דולר במונחים של ימינו, ואילו הרכבה מלאה ומדויקת יותר של גנום יחיד אפשרית כיום בעלות המוערכת בכ־5,000 דולר. מבחינה חשבונית זו ירידה של פי מיליון.
עם זאת, ההשוואה אינה מלאה: פרויקט הגנום האנושי כלל פיתוח טכנולוגיות, בניית תשתיות ומאמץ מחקרי בינלאומי שנמשך שנים, ואילו 5,000 הדולרים הם אומדן ליצירת רצף של אדם יחיד בטכנולוגיות שכבר קיימות. הסכום אינו כולל בהכרח פרשנות רפואית, אחסון ארוך טווח של הנתונים, ייעוץ גנטי ושילוב המידע בתיק הרפואי.
גם סוגיות של פרטיות, הסכמה מדעת, אבטחת מידע ואפשרות לשימוש משני במידע הגנטי יצטרכו להיפתר לפני שריצוף כזה יוכל להפוך לבדיקה שגרתית בלידה או במהלך הטיפול הרפואי.
גנומים של שמונה בעלי חוליות נוספים
המאמר על HG002 פורסם לצד מחקרים על גנומים מלאים או כמעט מלאים של שמונה מיני חולייתנים נוספים: מקוק, מרמוסט, פרוש זברה, חולדה, נברן, סוס, חמור וג׳ירפה.
גנומים אלה עשויים לסייע בחקר האבולוציה של פרימטים, למידת שירה אצל ציפורים, מגוון ביולוגי ותכונות חקלאיות, ובהן יכולתם של בעלי חיים לעכל צמחייה. השוואה בין גנומים שלמים ממינים שונים יכולה גם לסייע בזיהוי רצפים שנשמרו במהלך האבולוציה ולכן עשויים להיות בעלי תפקיד ביולוגי חשוב.
החוקרים מעריכים כי שילובם של גנומים מלאים רבים, אנושיים ולא־אנושיים, יאפשר בעתיד לאמן מודלים של בינה מלאכותית להבנת הקשר בין רצף גנטי, תפקוד ומחלות. גם כאן מדובר ביעד מחקרי ארוך טווח: יכולת חישובית גבוהה וגנום מדויק אינם מבטיחים לבדם תחזית רפואית אמינה, וביצועי המודלים יצטרכו להיבדק באוכלוסיות מגוונות ובמסגרות קליניות.
מקור מדעי ומקורות חיצוניים:
- המאמר ב־Cell: A complete diploid human genome benchmark for personalized genomics
- הודעת אוניברסיטת ג׳ונס הופקינס
- פרויקט Q100 ומאגר T2T-HG002
- מיזם Genome in a Bottle של NIST
עוד בנושא באתר הידען:
- פרויקט הגנום האנושי פיענח רק 92% מהדנ״א – עכשיו מדענים מילאו את 8% הנותרים
- הרצף המלא של כרומוזום Y האנושי הורכב לראשונה
- הפנגנום האנושי הראשון מיועד לקטלג את המגוון הגנטי
- מפה מקיפה חדשה קושרת כל גן אנושי לתפקוד שלו
- לקראת רפואה מותאמת אישית: שני מאגרי מידע חדשים על מחלות וגנום האדם
שאלות ותשובות
מהו גנום דיפלואידי? זהו גנום הכולל את שני מערכי הכרומוזומים של האדם: העותקים שהתקבלו מהאם והעותקים שהתקבלו מהאב. מלבד כרומוזומי המין אצל זכרים, לכל כרומוזום יש שני עותקים דומים אך לא זהים.
מה ההבדל בין גנום ייחוס לבין אמת מידה גנומית? גנום ייחוס משמש כמפה שאליה משווים רצפים של בני אדם. אמת מידה היא מערכת שנבדקה בקפדנות ומשמשת למדידת הדיוק של טכנולוגיות ריצוף, תוכנות הרכבה ושיטות לזיהוי שינויים גנטיים.
האם אפשר כבר לרצף בלידה את הגנום המלא של כל אדם? מבחינה טכנולוגית הדבר מתקרב לאפשרות מעשית, אך עדיין קיימים חסמים של עלות, פרשנות רפואית, תשתיות, פרטיות ואימות קליני. המחקר מציג תשתית שתוכל לקדם שימוש כזה, ולא שירות רפואי שגרתי מוכן להפעלה.
כיצד הגנום החדש עשוי לסייע באבחון מחלות נדירות? הוא מאפשר לבדוק אזורים מורכבים וחוזרניים שהשיטות המקובלות מתקשות לנתח. באזורים אלה עשויים להימצא שינויים גנטיים הגורמים למחלה, אך יידרשו מחקרים קליניים כדי לקבוע בכמה מקרים השיטה אכן תוביל לאבחון חדש.
תגיות: הגנום האנושי, גנום דיפלואידי, ריצוף גנום, טלומר־לטלומר, T2T, Q100, HG002, גנומיקה מותאמת אישית, רפואה מדויקת, מחלות גנטיות נדירות, NIST, אוניברסיטת ג׳ונס הופקינס
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
