Türümüzün en büyük keşiflerinden: İnsan Genom Projesi

İnsan Genom Projesi (İGP) fikri ilk olarak 1984’te, insan genom dizisini bilmenin kanserin anlaşılmasını kolaylaştıracağını savunan bir makalede ortaya atılmıştı.^[1]Dulbecco R. (1986). A turning point in cancer research: sequencing the human genome. Science (New York, N.Y.), 231(4742), 1055–1056. https://doi.org/10.1126/science.3945817 Tüm insan genetik kodunun (yani genomun) kimyasal yapısını deşifre etmeyi amaçlayan bir araştırma projesi olan İGP, entegre büyük bilim yaklaşımıyla özellikle biyoloji ve tıp alanındaki araştırmaları derinden değiştirdi ve hızlandırdı.

İnsan Genom Projesi neyi amaçladı ve neden önemliydi?

Ekim 1990’da başlayıp Nisan 2003’de sona eren projenin amacı, insan genlerinin tamamını keşfetmek, DNA üzerinde haritalamak ve bu keşif sonuçlarını tüm araştırmacılara erişilebilir kılmaktı.^[2]Ulusal İnsan Genom Araştırma Enstitüsü. “What is the Human Genome Project?” Erişim: 30.01.2022. https://www.genome.gov/human-genome-project.

İGP, Amerika Birleşik Devletleri tarafından yönetilen, Ulusal Sağlık Enstitüleri (National Institute of Health- NIH) ve ABD Enerji Bakanlığı (Department of Energy-DOE) tarafından koordine edilen ve Celera Genomics^[3]1998’de ABD, Maryland’deki Genomik Araştırma Enstitüsü’nün kurucusu Craig Venter, insan genomunu dizileme görevini üstlenmek için yeni bir özel şirket (daha sonra Celera Genomics olacak) kurduğunu duyurdu. Celera Genomics’in insan genomu dizileme arenasına girmesi, kamu çabalarını harekete geçirerek insan genomunu dizileme yarışına yol açtı.’in özel çabalarıyla tamamlanan uluslararası bir kamu projesidir.

İnsan genomunun dizilenmesi ve insan genlerinin haritalanması, biyolojik bilim tarihindeki en büyük girişimlerden ve önde gelen bilimsel başarılardan birisidir.  İGP bize insanı yeniden oluşturmak için gereken tüm genetik bilgiyi sağlamakla kalmadı, bu projenin uluslararası bir araştırmacılar ekibi tarafından hayata geçirilmesi de son derece önemliydi.^[4]Ulusal İnsan Genom Araştırma Enstitüsü. “What is the Human Genome Project?” Erişim: 30.01.2022. https://www.genome.gov/human-genome-project.

Genetik bilgi derken …

Genetik bilgiyi taşıyan DNA bir moleküldür ve yapısı bükülmüş bir merdivene benzer. Bu merdivenin kenarları şeker ve fosfat gruplarından, her basamağı da baz çiftlerinden oluşur. Dört farklı baz mevcuttur (A, T, C, G), yani genetik alfabe dört harften oluşur. Şekilde görüldüğü gibi A hep T ile C de hep G ile çift olur.

Genler bizim kalıtım birimlerimizdir ve DNA üzerinde küçük segmentler halinde bulunurlar. Genler fiziksel ve biyolojik özelliklerimizi belirlemek için gereken bilgileri içerir,  proteinleri kodlar. Bu proteinlerin vücutta farklı işlevleri vardır.

Kısacası, DNA’nın tekrarlanan dört A, T, G ve C harfinden oluşan kimyasal dili; ölçeği, çeşitliliği ve karmaşıklığı açısından şaşırtıcı olan eksiksiz bir yaşam tarifini zarif bir şekilde üretir. DNA, okyanuslarımızda sürüklenen tek hücreli organizmalardan; bilinçli, kendinin farkında olan insanlara kadar dünyadaki tüm yaşamı kodlar. Bir insanın genomunun tam haritasını çıkarmak da, gezegendeki en karmaşık ve gelişmiş organizmanın iç işleyişine yeni bir bakış açısı sağlamaktadır.

“Büyük bilim” yaklaşımı olarak İGP ve hedefler

Genomun şifresini çözme işi, biyolojik bilimlere yeni bir yaklaşımı zorunlu kıldı: Büyük ölçekli, “büyük bilim” ekibi yaklaşımı. 1990’da, “Genetik Mirasımızı Anlamak: İnsan Genom Projesi, İlk Beş Yıl, 1991-1995” başlığıyla ortak bir araştırma planı yayınlandı.^[5]Author, N. G. (1990). Understanding our genetic inheritance: The US Human Genome Project, The first five years FY 1991–1995. Office of Scientific and Technical Information (OSTI). https://doi.org/10.2172/69580 Bu ilk araştırma planı, 15 yıl sürmesi planlanan bir araştırmanın ilk beş yılı için hedefleri belirliyordu.  Üç milyar DNA baz çiftinin tam sırasını belirlemek ve her bir insan genini tanımlamak şüphesiz ileri teknoloji geliştirmeyi ve disiplinler arası bir ekibin bir araya getirilmesini gerektiriyordu. Bu hedefler doğrultusunda biyolog, genetikçi, fizikçi, kimyager, bilgisayar bilimci, matematikçi ve mühendislerden oluşan bir ekip oluşturuldu. Kamu finansmanında toplam 3,8 milyar dolara ihtiyaç duyan İGP şunları amaçladı:^[6]Human Genome Project Information Archive 1990-2003. “About the Human Genome Project” Erişim: 02.02.2021. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml

• İnsan DNA’sındaki genlerin tamamını tanımlamak,
• İnsan DNA’sını oluşturan üç milyar kimyasal baz çiftinin dizilerini belirlemek,
• Genlerin hangi kromozomlar üzerinde konumladığını belirlemek (gen haritaları oluşturarak kalıtsal özelliklerin nesillden nesile geçişini izlemek)
• Bu bilgileri veritabanlarında saklamak,
• Veri analizi için teknolojik araçları iyileştirmek,
• İlgili teknolojileri özel sektöre aktarmak

Bu hedeflerin hepsine ulaşıldı. Genomun “eksik” kalmış son parçaları da (%8) Nisan 2022’de tamamlandı. Projenin sonuncu hedefi ise projeden doğabilecek etik, yasal ve sosyal sorunları ele almaktı ki yazının son bölümünde daha detaylı anlatacağımız gibi bu çabalar halen devam ediyor.

Genomun %8’i neden eksik kalmıştı?

Genomu oluşturan 3 milyar baz çiftini baştan başlayıp sona kadar okumak mümkün değil.  Araştırmacılar önce DNA’nın rasgele küçük kısımlarını çözümleyip ve sonra bunları çok büyük bir yapboz gibi bir araya getirdiler.  Yalnız DNA’nın bazı kısımlarında çok fazla tekrarlar var bu kısımları yerleştirmek hiç de kolay değil.  İşte bu %8lik son kısmı da dizileme teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde tamamlandı ve Nisan 2022’de duyuruldu.^[7]Zhang, S. (2022, Haziran) The Human Genome is – Finally! – complete, The Atlantic

İnsan Genom Projesinin etkileri

İGP, insan biyolojik sistemlerinin anlaşılması için temel teşkil etse de, insan genom diziliminin anlaşılmasının yalnızca insan biyomedikal bilimleri için önemli olmadığını vurgulamalıyız. Bilimsel ve teknolojik etki bunun çok ötesine uzanıyor ve ortaya çıkan “genomik devrim”, yenilenebilir enerji gelişimini, endüstriyel biyoteknolojiyi, tarımsal biyobilimleri, veterinerlik bilimlerini, çevre bilimlerini, ulusal güvenliği ve adaleti, evrim, antropoloji ve diğer birçok disiplindeki ileri çalışmaları etkiliyor.^[8]William, T.&  Palladino, M. (2004) Introduction to Biotechnology. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings^[9]Human Genome Project Information Archive 1990-2003. “Potential Benefits of HGP Research” Erişim: 02.02.2021. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml^[10]Slezak, T.  ve ark. 2003. “Comparative genomics tools applied to bioterrorism defense.” Briefings in Bioinformatics. 2003;4(2):133‐49(Şekil 2)

Bu yazıda uygulama alanları içinden temel bilim, sağlık, toplum ve COVID-19 mücadelesi üzerindeki etkilerini biraz daha detaylı anlatacağız.

İGP’nin temel bilimlere etkileri

İnsan genom dizisi yayınlanana ve etkileri anlaşılana kadar biyolojik bilimlerde hüküm süren düşünce modeli, organizmaların DNA şeklinde kodlanmış çok büyük ama temelde doğrusal bir talimat seti ile işlenmesiydi. Yaşam formlarının ve süreçlerinin genlerden kaynaklandığı biliniyordu ve her genin tek bir protein kodladığı düşünülüyordu. İnsan genom dizisi, yaşamın yapısına ilişkin bu tek yönlü, basit görüşü alt üst etti. Artık biliniyor ki:

• Aynı gen birden fazla proteini kodlayabilir.
• İnsan DNAsı, başlangıçta tahmin edilenden çok daha az gen içerir (beklenen 100.000 ila 300.000 yerine yaklaşık 20.000-25.000).^[11]Human Genome Project Information Archive 1990-2003. “About the Human Genome Project” Erişim: 02.02.2021. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml^[12]William, T.&  Palladino, M. (2004) Introduction to Biotechnology. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings
• Organizmalar arasındaki yapısal genomik varyasyonlar nispeten küçüktür.
• DNA dizimizin yüzde 99,9’u diğer tüm insanlarınkiyle aynıdır.
• Genom boyunca rastgele dağılan, tekrar dizilerden oluşan ve genom içerisinde bilinen fonksiyonu olmayan DNA parçaları aslında hatalı bir tanımlamayla “Çöp DNA” olarak adlandırılmıştı. Ancak bugün genomik analizler ile bu DNA parçalarının genom içerisinde herhangi bir protein kodlamasalar da genlerin doğru zamanda ve doğru yerde ifade edilmesi için gerekli olan bilgiyi taşıdıkları anlaşıldı.

İnsan genomunun dizilimi sürecinde matematik ve biyolojik araştırma iç içe geçti. Genomun dizilenmesi, biyolojinin olduğu kadar matematiksel ve hesaplamalı bilimlerin de bir başarısıydı ve “hesaplamalı biyoloji” ve “sistem biyolojisi” gibi yeni alanların ortaya çıkmasına yardımcı oldu.

20. yüzyılın ikinci yarısında bilgisayar işlemcileri, veri depolama ve hesaplamalı analiz yöntemlerinde kaydedilen ilerleme olmasaydı, insan genomunun dizilenmesi mümkün olmazdı. Milyarlarca veri noktasıyla uğraşan İGP dizileme merkezlerinin çabaları, yüksek performanslı bilgi işlem ve veri depolama merkezleri tarafından desteklendi. Örneğin İngiltere’deki Sanger Center’da, İGP çalışması 250 adet 64-bit Compaq Alpha sisteminden oluşan bir sunucu kümeyi ve terabaytlarca veri depolama kapasitesini içeriyordu. Yüzlerce terabaytlık ham veriyi analiz etmek ve üç milyardan fazla baz çiftini doğru şekilde sıralamak için yüksek başarımlı hesaplama (high performance computing) gerekliydi. En son teknolojilere erişim olmadan, İGP’nin hedeflerine ulaşması mümkün olmazdı.^[13]Human Genome Project Information Archive 1990-2003. “About the Human Genome Project” Erişim: 02.02.2021. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml^[14]William, T.&  Palladino, M. (2004) Introduction to Biotechnology. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings^[15]Issa, A. M. (2003). The Genomic Revolution: Unveiling the Unity of Life. In Nature Medicine (Vol. 9, Issue 1, pp. 11–12). Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1038/nm0103-11b^[16]The Genomic Revolution. (2002). Joseph Henry Press. https://doi.org/10.17226/10125^[17]Lander, E. S. (2011). Initial impact of the sequencing of the human genome. In Nature (Vol. 470, Issue 7333, pp. 187–197). Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1038/nature09792^[18]Compaq technology enables completion of the human genome. Erişim tarihi: 09.02.2022. https://www.thefreelibrary.com/COMPAQ+TECHNOLOGY+ENABLES+COMPLETION+OF+HUMAN+GENOME-a063577214

Bir coğrafi haritanın o bölgeyle ilgili araştırmayı büyük ölçüde kolaylaştırması gibi, insan genomu referans dizisi de kapsamlı bir yapı iskeleti sağlayarak bilim insanlarının biyolojik yapı ve işlevler hakkındaki kısmi bilgilerini bir araya getirmelerini mümkün kıldı: gen haritaları, genetik çeşitlilik, kalıtsal hastalıklarla ilişkili genler, kanserde genetik değişiklikler gibi. Ayrıca İGP ışığında öğrendiklerimiz yeni bilimsel alt disiplinlerin ortaya çıkmasına katkı sağladı (omiks, evrimsel gelişim biyolojsi, hesaplamalı biyoloji, biyoinformatik, metagenomik v.b.).^[19]William, T.&  Palladino, M. (2004) Introduction to Biotechnology. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings^[20]Issa, A. M. (2003). The Genomic Revolution: Unveiling the Unity of Life. In Nature Medicine (Vol. 9, Issue 1, pp. 11–12). Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1038/nm0103-11b^[21]Lander, E. S. (2011). Initial impact of the sequencing of the human genome. In Nature (Vol. 470, Issue 7333, pp. 187–197). Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1038/nature09792

İGP’nin sağlık alanına etkileri

İGP sayesinde insan hastalıklarından sorumlu genlerin keşfi, sağlık ve tıp alanı üzerinde önemli bir etki yarattı. Bir dizi hastalık geni tanımlandı ve yeni tedavi yaklaşımlarına öncülük etti (Şekil 3). İGP’nin bazı mevcut ve potansiyel uygulamaları olarak iyileştirilmiş hastalık teşhisi ve tedavisi, hastalığa genetik yatkınlığın erken tespiti, akıllı ilaç tasarımı, ilaçlar için gen tedavisi ve kontrol sistemleri ve farmakogenomik “özel ilaçlar”ı sayabiliriz. Daha ayrıntılı genom haritaları; ailevi akdeniz ateşi, kalıtsal kolon kanseri, Alzheimer hastalığı ve kalıtsal meme kanseri dahil olmak üzere düzinelerce genetik durumla ilişkili genleri arayan araştırmacılara yardımcı oldu. Örneğin, kalıtsal meme kanseri ile ilişkili BRCA1&BRCA2 genlerinin mutasyon analizi meme kanserine olan yatkınlık hakkında bilgi sağlayabiliyor. Ya da Ailevi Akdeniz Ateşinden sorumlu MEFV gen analizi bireyin sağlıklı,taşıyıcı veya hasta olup olmadığı bilgisini veriyor. Elde edilen bilgiler tedavi yaklaşımı ve henüz tedavisi olmayan diğer hastalıklar için umut vaad ediyor.^[22]William, T.&  Palladino, M. (2004) Introduction to Biotechnology. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings^[23]Human Genome Project Information Archive 1990-2003. “Potential Benefits of HGP Research” Erişim: 02.02.2021. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml

Bireysel genom dizilerinin yakında tıbbi uygulamalarda çok daha büyük bir rol oynayacağını tahmin ediyoruz. İdeal senaryoda hastalar, bireysel genom dizileri tarafından önerilen gerçek veya potansiyel tıbbi durumlar için uygun olduğu bilinen önleme veya tedavi stratejilerinden yararlanarak bilgileri kendi sağlık bakımlarını iyileştirmek için kullanabilecek.  Aslında, büyük-ölçekli genom veri analizlerin hastalığa uygulanması, insan hastalığı anlayışımızı ve sağlık hizmeti pratiğini dönüştürerek bizi öngörücü, önleyici, kişiselleştirilmiş ve katılımcı bir anlayışa doğru itti: Bu yaklaşım P4 tıbbı olarak anılıyor. (predictive, preventive, personalized, participatory). P4 tıbbının temel varsayımlarından birisi hastalıklı dokularda var olan biyolojik işlevlerin bozulması ve hastalığın ilerlemesiyle dinamik olarak değişmesidir. Hastalıklı (bozulmuş) biyolojik işlevler tarafından kodlanan bilgilerin nasıl değiştiğini bilmek, hastalık mekanizmalarını daha iyi anlamamıza, tanıya yönelik yeni yaklaşımlar geliştirmemize ve ilaç tasarımları için yeni stratejiler ortaya koymamıza olanak sağlayacak.^[24]Hood, L., & Rowen, L. (2013). The human genome project: big science transforms biology and medicine. In Genome Medicine (Vol. 5, Issue 9, p. 79). Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1186/gm483^[25]William, T.&  Palladino, M. (2004) Introduction to Biotechnology. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings

Bu bağlamda, insan genom dizi bilgisi, tıp pratiğini değiştirmeye başladı. İnsan Genom Projesi, Uluslararası HapMap Projesi, 1000 Genom ve The Cancer Genome Atlas gibi müteakip büyük ölçekli genom veri toplama girişimlerinin yanı sıra İnsan Beyin Projesi ve İnsan Proteom Projesi‘ne ilham kaynağı olmuştur.

İGP’nin toplum üzerindeki etkisi

İGP sonucunda kişisel DNA’mızın çözümlenebilir olması birçok etik soruyu ve kaygıyı da gündeme getirdi. Örneğin genetik bilginin mahremiyeti, potansiyel ayrımcılık, genetik bilginin kullanımında adalet ve genomik bilgilere erişim, genetik bilginin bireyler üzerindeki etkisi, genetik teknolojilerin üreme süreçlerinde kullanımı, sağlık ve çevre sorunları (GDOlu besinler ve mikroorganizmalar vb.), ürünlerin ticarileştirilmesi ve fikri mülkiyet hakları gibi farklı alanlarda tartışmalara yol açtı. Gen fonksiyonlarının ve işlevlerinin son derece karmaşık olması dolayısıyla genetik bilgilerin insanların yaşamları ve sağlığı üzerindeki etkileri ne kadar belirleyici olmalı sorusu da gündemde.^[26]Human Genome Project Information Archive 1990-2003. “Ethical, Legal, and Social Issues” Erişim: 08.02.2021. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml^[27]Review of the Ethical, Legal and Social Implications Research Program and Related Activities (1990-1995). Erişim tarihi: 08.02.2022

İGP’nin doğrudan toplumsal sonuçları olabilecek keşifleri de oldu: Her ne kadar insanların fiziksel özellikleri genler tarafından belirleniyor olsa da aynı ırktaki insanlar arasındaki genetik çeşitliliğin, farklı ırklardaki insanlar arasındaki çeşitlilik kadar olduğu tespit edildi. Yani ırkları birbirinden farklı düşünmenin genetik bilimi açısından hiçbir temel dayanağı yok.

Daha önce bahsettiğimiz gibi İGP projesinin sürmekte olan önemli amaçlarından birisi de projeden doğabilecek etik, yasal ve sosyal sorunları ele almak ve çözmek. Bu amaç doğrultusunda, 1990 yılında Etik, Hukuki ve Sosyal Etkiler (ELSI) programı kuruldu.^[28]İnsan Genetiği Araştırmalarının Etik, Yasal ve Sosyal Etkileri (ELSI) programı, bu konuları incelemek ve genetik bilginin uygun şekilde kullanılmasını sağlamak için politika önerileri ve kılavuzların geliştirilmesine yardımcı olmak için geliştirilmiştir. ELSI programı 1) İnsan Genom Projesi’nin etkilerini anlamaya yardımcı olacak bir program geliştirmek ve 2) önemli konuları belirlemek ve tanımlamak ve bunları ele almak için görevlendirildi. ABD Enerji Bakanlığı (DOE) ve Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH), yıllık İGP bütçelerinin 3-5%’ni, genetik bilginin mevcudiyetini çevreleyen etik, yasal ve sosyal konuları incelemeye ayırdı. İncelemeler dört yüksek öncelikli alan üzerinde yoğunlaşıyor: Genetik bilginin kullanımı ve yorumlanmasında gizlilik ve adalet; yeni genetik teknolojilerin klinik çalışmalara entegrasyonu; genetik araştırmalarla ilgili hususlar ve kamu çalışanları ile profesyonellerin eğitimi.^[29]Review of the Ethical, Legal and Social Implications Research Program and Related Activities (1990-1995). Erişim tarihi: 08.02.2022 Bu sonuçları tanımlayan ve ele alan programlar, İGP’nin ayrılmaz bir parçası oldu ve dünya çapında biyoetik programları için bir model haline geldi.

İGP’nin COVID-19 mücadelesine etkisi

İGP’nin ilk çalışma taslağını üretmesinden bu yana geçen 20 yıl içinde, bir organizmanın eksiksiz genetik kodunu okumak sıradan hale geldi. Buna verilebilecek en iyi örnek bir pandemiye neden olan SARS-CoV-2 virüs genomunun hızlıca dizilenmesidir. İki yıldır hayatımızda olan SARS-CoV-2 virüsünün genom dizilimi, Çin’de ortaya çıkışından çok kısa bir süre sonra tüm dünyayla paylaşıldı.  İGP ile üretilen teknoloji sayesinde, belirli bir virüsün genomunu çözmek artık çok kolay. İnsan genom dizisini bir araya getirmek için geliştirilen bilgi işlem gücü, viral genomdaki küçük değişiklikleri yayılırken takip etmek için kullanılıyor. Bu bize virüsü izlemek için muazzam bir beceri veriyor. Araştırmacılar ayrıca virüsün ne kadar kolay yayıldığını ve geliştikçe nasıl değiştiğini hızlı bir şekilde takip edebiliyor. Dahası İGP’nin Dünya’nın farklı ülkelerinde çalışan bilim insanlarının elde ettikleri tüm genom verilerini açık erişime izin veren veritabanlarına yükleyerek bilgi alışverişinin, mutasyon yayılımlarının ve en önemlisi aşı üretimine katkı sağlaması en önemli avantajlarından olduğu söylenebilir.

Dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlar genom dizilerini GISAID veritabanı yoluyla paylaşmaya devam ediyor. 12 Mayıs 2022’ye kadar paylaşılan genom veri sayıları ülke bazında Şekil 4’te gösteriliyor.

Farklı ülkelerden paylaşılan SARS-CoV-2’un genom dizileri, tanı testlerini tasarlamak ve değerlendirmek, devam eden salgını izlemek ve potansiyel müdahale seçeneklerini belirlemek için önemli.

Sonuç olarak, İGP projesi sadece hedeflerine ulaşmakla kalmadı, aynı zamanda bilimsel bilgi ve teknolojik gelişmede öngörülemeyen atılımlara yol açtı.

Arta Fejzullahu, İstanbul Aydın Üniversitesi, Tıp Fakültesi (İng.)

Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.