Czas na badania całych genomów człowieka

Gdy przyglądamy się pojedynczym ludziom, nie potrafimy wywnioskować z ich zachowania, jak zareaguje tłum. Podobnie dzieje się w genetyce: możemy badać pojedyncze geny w komórkach, ale by zrozumieć działanie całej komórki w tej czy innej tkance, trzeba się dowiedzieć, jak w danym przypadku pracuje cały genom. Badaniem genomów i sposobów odczytywania zawartej w nich informacji o ludzkich komórkach zajmuje się środowiskowa Pracownia Neurobiologii Molekularnej w Centrum Neurobiologii Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie. Pracownia powstała na bazie wcześniejszego laboratorium i właśnie rozpoczyna działalność - jako jedno z pięciu nowych laboratoriów Centrum Neurobiologii utworzonego w ramach projektu Centrum Badań Przedklinicznych i Technologii CePT.

Wiele grup naukowych na świecie koncentruje swe badania na funkcjach jednego lub kilku genów bądź kodowanych przez nie białek. Lecz komórka w ludzkim organizmie zawiera ponad 20 tys. genów! Na dodatek w różnych typach komórek są aktywne różne geny. Zjawisko to ma związek z faktem, że choć każda komórka organizmu dysponuje tym samym zestawem genów, zajmują one zaledwie kilka procent łańcucha DNA. Szacuje się, że ok. 80% DNA - kiedyś uznawane za nieprzydatne i nazywane śmieciowym - zawiera sekwencje regulujące pracę genów. Okazuje się przy tym, że położenie tych sekwencji w komórkach różnych typów jest różne. Zatem bez wiedzy o całym genomie danego typu komórki nie można zrozumieć jej funkcjonowania.

"Nasza pracownia koncentruje się na wielkoskalowych badaniach genomów, podczas których staramy się analizować poziom regulacji wszystkich genów w genomie, jednocześnie. Jako jedni z pierwszych na świecie wkrótce będziemy prowadzić takie analizy na wyspecjalizowanych komórkach z tkanki mózgowej", wyjaśnia prof. dr hab. Bożena Kamińska. W najbliższych pięciu latach w Pracowni zostanie zsekwencjonowanych 150 ludzkich genomów.

W centrum zainteresowań badaczy z Instytutu Nenckiego znajdują się przede wszystkim stany patologiczne komórek, zwłaszcza transformacje nowotworowe. Takie transformacje zachodzą wskutek mutacji w genach, ale też wskutek efektów epigenetycznych, czyli zmian w środowisku chemicznym we wnętrzu komórki oraz w jej otoczeniu. Zmiany te mogą wpływać na sposób odczytywania informacji genetycznej.

Dotychczasowe strategie walki z nowotworami polegały na próbach ograniczania funkcji zmienionych genów i szukaniu sposobów zabijania komórki nowotworowej bądź zahamowania jej namnażania. To trudne zadanie, bo wiele mutacji zwiększa żywotność i przeciwdziała śmierci komórkowej. W przeciwieństwie do mutacji w genach, które są nieodwracalne i nie da się ich skorygować, zmiany epigenetyczne można cofnąć. Dlatego od niedawna pojawiło się inne podejście w walce z nowotworami, stawiające na odszyfrowanie mechanizmów epigenetycznych zarówno w guzie, jak i w jego otoczeniu.

"Chcemy zrozumieć procesy chemiczne i biologiczne, które sprzyjają rozwojowi komórek nowotworowych. Dlaczego? Komórka nowotworowa kształtuje swoje otoczenie by wspierało jej wzrost, aktywnie hamuje układ odpornościowy. Zamiast atakować bezpośrednio komórkę rakową, możemy próbować przywrócić pierwotne cechy jej środowisku. W praktyce oznaczałoby to możliwość ograniczenia rozwoju nowotworu lub nawet jego likwidację", stwierdza prof. Kamińska.

Co szczególnie ważne, badania w Pracowni Neurobiologii Molekularnej Instytutu Nenckiego, koncentrujące się na opracowaniu dokładnych map całych genomów różnych typów komórek w organizmie, są i będą prowadzone nie tylko na laboratoryjnych liniach komórkowych, takich jak komórki mysiego i szczurzego glejaka, ale także na komórkach z guzów ludzkiego mózgu. Jest to możliwe dzięki współpracy z Instytutem Psychiatrii i Neurobiologii w Warszawie oraz Centrum Zdrowia Dziecka, które przekazują do badań guzy mózgu usunięte pacjentom. Z guzów są izolowane różne typy komórek, w tym komórki inicjujące glejaki.

"Oczywiste pole zastosowań dla naszych badań to medycyna, zwłaszcza w zakresie poznawania mechanizmów patologii nowotworów mózgu. Ale nie tylko. Zmiany epigenetyczne i zaburzenia sposobu odczytywania informacji genetycznej mogą też być przyczyną zaburzeń towarzyszących chorobom psychicznym takim jak schizofrenia. We współpracy z psychologiem prof. Januszem Rybakowskim z Poznania i bioinformatykiem prof. Janem Komorowskim z Uniwersytetu w Uppsali planujemy stworzyć specyficzne dla mózgu 'mapy obszarów regulatorowych', aby szukać w nich zmian genetycznych skojarzonych ze schizofrenią", mówi prof. Kamińska.

Nowa pracownia Instytutu Nenckiego dysponuje doskonałym zestawem najnowocześniejszych przyrządów badawczych. Dotychczasową aparaturę, pozwalającą śledzić procesy ekspresji od jednego do kilku genów, uzupełniono m.in. o skaner mikromacierzy. Wypasażone w skaner urządzenie pozwala badać jednocześnie ekspresję dosłownie każdego genu człowieka. Innym cennym nabytkiem jest sprzęt do mikrodysekcji laserowej. Umożliwia on precyzyjne wycinanie interesujących badaczy fragmentów tkanek, a nawet pojedynczych komórek z tkanki. Zgromadzona aparatura jest na tyle precyzyjna, że do wyizolowania RNA i zbadania profilu ekspresji wszystkich genów wystarcza zaledwie 150 komórek.

Złożoność badań wymaga odpowiedniej obsługi informatycznej. Zajmuje się nią grupa informatyków, którzy nie tylko przetwarzają zgromadzone dane za pomocą zaadaptowanych metod, ale również konstruują własne algorytmy analiz, m.in. pozwalające ocenić, czy w danej komórce lek ma szansę zadziałać. Ponieważ zapis informacji o pojedynczym genomie lub całkowity opis reakcji w komórce może zajmować nawet pół terabajta, trwają prace nad uruchomieniem w Pracowni dużego serwera, pozwalającego na efektywne przetwarzanie takich ilości danych.

Centrum Badań Przedklinicznych i Technologii (CePT), w budowie którego uczestniczy Instytut Nenckiego, to największe przedsięwzięcie biomedyczne i biotechnologiczne w Europie Środkowo-Wschodniej. Budżet projektu wynosi ponad 388 mln zł, w tym 85% to wkład Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. W ramach CePT powstaje zespół powiązanych laboratoriów środowiskowych, integrujących działalność badawczą i wdrożeniową szeregu instytucji naukowych tworzących Centrum Badawcze Ochota. Laboratoria te umożliwią prowadzenie badań podstawowych i przedklinicznych na najwyższym poziomie europejskim w zakresie analizy strukturalnej i funkcjonalnej białek, fizyko-chemii i nanotechnologii biomateriałów, biotechnologii molekularnej, instrumentalnego wspomagania technologii medycznych, patofizjologii i fizjologii, onkologii, genomiki, neurobiologii oraz chorób związanych ze starzeniem.

Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, utworzony w 1918 roku, jest największym nieuniwersyteckim ośrodkiem badań biologicznych w Polsce. Do priorytetowych dziedzin podejmowanych w Instytucie należą: neurobiologia, neurofizjologia, biologia i biochemia komórkowa oraz biologia molekularna - w skalach złożoności od organizmów tkankowych przez organelle komórkowe do białek i genów. W Instytucie działa 31 laboratoriów, m.in. nowoczesnej Mikroskopii Konfokalnej, Cytometrii Przepływowej i Skaningowej, Mikroskopii Elektronowej, Testów Behawioralnych i Elektrofizjologii. Instytut dysponuje nowoczesną aparaturą badawczą i zmodernizowaną zwierzętarnią, pozwalającą na hodowlę zwierząt laboratoryjnych, także transgenicznych, według najwyższych standardów. Poziom prac eksperymentalnych, publikacje i silne związki z nauką światową plasują Instytut wśród wiodących placówek biologicznych Europy.

źródło: Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN