QUO VADIS RENDSZERELVŰ BIOLÓGIA ÉS MEDICINA?
Gondolatok egy jubileumi előadás kapcsán
Dr. Falus András, egyetemi tanár, akadémikus
A Semmelweis Egyetem Genomikai Hálózata (SGH) az ÁOK Tudományos Tanács által támogatott, 2001 óta futó tudományos előadássorozat, amelynek az első két előadást követően a Nagyvárad téri Elméleti Tömb Koch Sándor nevét viselő terme (korábban tanácsterem) ad otthont.
2011. november 2-án tartottuk a sorozat 100-ik előadását, mely egybeesett a Biológiai Intézet (jelenleg Genetikai- Sejt és Immunbiológiai Intézet) 40. éves évfordulójával. Az évfordulót prof. dr. Tulassay Tivadar Rektor úr, akadémikus és prof. dr. Ligeti Erzsébet, az ÁOK Tudományos Tanácsa elnöke, akadémikus üdvözölték. Ezt követően Csaba György professzor az Intézet korábbi és a sorok írója, az Intézet jelenlegi igazgatója beszélt a 40 évről. A Biológiai/ Genetikai- Sejt és Immunbiológiai Intézetről hamarosan egy hosszabb visszaemlékezés jelenik meg. A 100. SGH alkalmával öt kollegánkat kértük fel, hogy fantáziájukat szabadon engedve beszéljen a genomika, a rendszer szemléletű orvostudomány lehetséges jövőjéről.
Az elhangzás sorrendjében Dr. Szalai Csaba tudományos tanácsadó, az MTA Doktora a hatalmas új technológiai robbanásról, a muntifaktoriális öröklődési mintázat által okozott nehézségekről és a farmakogenomika egyes kérdéseiről beszélt.
Dr. Kosztolányi György, egyetemi tanár, akadémikus hangsúlyozta leginkább a genomikai áttörés okozta euforikus lelkesedés utáni kijózanodás okait, a túlzott várakozásoktól kezdve az un. „missing heritability“ (lásd később) elemzéséig. Nézete szerint a genetika és genomika csak duálisan értelmezhető.
Dr. Nagy László egyetemi tanár, akadémikus, mint alapkutatással foglalkozó molekuláris biológus viszont inkább a genomika által nyújtott hatalmas lehetőségeket emelte ki. Előadásában a személyreszabott gyógyítás mellett kitért az őssejtkutatás új áttörésére (indukált pluripotens őssejt) és új módszertani lehetőségekre is.
Dr. Buzás Edit, egyetemi tanár, az MTA Doktora elsősorban a proteomikai ujdonságokról és perspektíváról beszélt. Kiemelte a poszttranszlációs módosulások feltárásának most induló új útjait, a predikciós adatbázisok adta most formálódó lehetőségeket és ezek felhasználását pl.az immunológia és gyulladásbiológia területén.
És dr. Peták István, tudományos igazgató, a molekuláris onkodiagnosztika rohamosan bővülő eszköztárát villantotta fel. Bemutatta az egyre részletesebb tumor genomatlaszt és az egyes tumorok jelátviteli útjának feltárása révén rendelkezésre álló új terápiás molekuláris célpontokat.
A közös üzenet
Az elhangzottak alapján elsősorban az öt előadó közös szemléleti üzenetéről szeretnénk röviden számot adni.
A genetika, az öröklés biológiája az elmúlt 60-70 év egyik legdinamikusabban fejlődő élő természet tudományága. Ennek a fejlődésnek legfőbb mozgatórugója az, hogy a genetika, ezen belül is az orvosi genetika az emberiség jólétének legalapvetőbb problémáival foglalkozik: a megbetegedések okaival, megelőzésével és gyógyításával. Az is rendkívül izgalmas kérdés, hogy ki miért marad egészséges, mitől él tovább mint kortársai, miért vészeli át könnyebben a környezet esetenként kellemetlen hatásait.
Az elmúlt évtizedben a genetikában végbement egy óriási technológiai forradalom, ami miniatürizálást, automatizálást és az örökítő anyag, a DNS „nagyüzemi“ analízisét hozta magával. Ennek köszönhetően a genetika történetében először közeli lehetőséggé vált az emberiséget legnagyobb mértékben érintő, gyakori és a ritka betegségek genetikai alapjainak vizsgálata.
Meg tudjuk jósolni, ki tudjuk számítani előre az örökölt hajlamok hatását?
Valóban karnyújtásra vannak a betegségek okainak megismerése és ezek gyógyítása? Kiszámíthatóvá válhat a környezet (pl. táplálkozás, mozgás, fertőzés, stressz, fény, stb.) hatása a mindennapi életünk minőségére vagy akár életünk hosszára? Lesz-e személyre szabott orvoslás a gyógyszerek kiválasztásában, adagolásban, vagy a védőoltások megtervezésében?
Korábban is sejtettük, hogy a genetika sokkal inkább valószínűség, mint sors. Ennek ellenére úgy gondoltuk, hogy amikor 2003-ra feltérképeztük a teljes emberi örökítőanyag, a genom betűsorrendjét (szekvenciáját), akkor megoldottuk az örökletes betegségek és hajlamok problémáját. Azt hittük, hamarosan kezdődhet a személyre szabott orvoslás.
Nos, sajnos, lássuk be, tévedtünk. Nem abban tévedtünk, hogy az örökítő anyag egyéni és etnikai jellegzetességei alapvetően fontosak, mert feltárásuk valóban közelebb visz a megelőzés és a gyógyítás sikeréhez. Abban tévedtünk, hogy az összefüggéseket a genom elolvasását követően, szinte azonnal, teljes mélységükben meg fogjuk érteni és eredményesebben tudunk majd beleavatkozni a biológiai folyamatokba.
Mit tudunk ma?
Mára kiderült, hogy az örökölt tulajdonságok érvényesülése sokkal összetettebb, mint azt képzeltük, az genetikai jellegek mintázatának, hálózatainak tulajdonságai általában sokkal fontosabbak, mint az egyes elemeké külön-külön. Kiderült az is, hogy sokkal jobban hat a környezet az örökölt jellegek “megszólalására és elcsendesedésére” mint azt gondoltuk.
A genom szekvencia legfontosabb kezdeti igérete az volt, hogy hozzásegít a betegséget okozó gének és fehérjék, más szóval terápiás célpontok azonosításához, megnyitván ezzel az utat új gyógyszerek és gyógymódok kifejlesztéséhez. Az elmúlt évtized tapasztalata azt mutatja, hogy ez a cél csak részben teljesült. Bár a betegségeket okozó gének azonosításának folyamatát kétségkívül forradalmasította, a genom szekvencia nem váltotta be a gyógyításban játszott szerepéhez fűzött kezdeti reményeket. Ennek legfontosabb oka az, hogy döntően szerkezeti információval szolgál (pl. gének száma, szerkezete, nagysága, sorrendje, elhelyezkedése), de viszonylag kevés betekintést nyújt a gének működését és a gének által kódolt fehérjék egymáshoz való kapcsolásának mintázatát illetően (pl. milyen folyamatokban vesznek részt, mely sejtekben, szövetekben milyen időzítéssel működnek, stb. ).
Merre tart az orvosi genomika és a „systems medicine“?
Az informatika fejlődése lehetősvé teszi az egyes gének működési összefüggéseinek olyan szintű vizsgálatát, amelyre korábban nem volt lehetőség. A jelenlegi kutatások egyik legfontosabb célkitűzése az összes gén funkciójának egyidejű vizsgálata. Ezt egészíti ki a környezeti hatások vizsgálata. A környezeti hatások egy része nem a nukleotidok betűsorrendjét (szekvenciáját) befolyásolja, hanem az egyes gének átíródását, azaz hogy az adott gén által kódolt fehérje megjelenik-e a szervezetben, és milyen mennyiségben. Ez utóbbi hatások vizsgálatát nevezzük epigenetikának. A teljes rendszer áttekintését célzó megközelítésre szolgál a rendszerbiológia, vagy rendszer-szemléletű biológia (systems biology) elnevezés, amely egy teljesen új világot nyitott meg a kutatók, orvosok, biotechnológusok, matematikusok számára.
Egy kis emlékeztető az alapvető genom ismeretekről
A genetika legfontosabb felfedezései (a DNS, mint örökítőanyag azonosítása; az öröklődés törvényeinek felismerése; a DNS szerkezetének leírása) sorába illik a teljes emberi örökítő anyag (genom) szekvenciájának (betűsorrendjének) megállapítása a 2001-2003-as években. Ez a genomot alkotó mintegy 3.2 milliárd építőelem (négyféle nukleotidbázis) kapcsolódási sorrendjének megállapítását jelenti. A szekvencia sikeres leírása vitathatatlan mérföldkő a genetikában, de milyen hatással volt a genetika fejlődésére az elmúlt évtizedben? Elmondhatjuk, hogy a genom szekvencia a genetika olyan alapdokumentumává vált, ami nélkül a genetikai tudományok további fejlődése csaknem elképzelhetetlen. Olyan ez mint egy könyv szövege, betű- és szóhalmaza, ami, mint szükséges (de nem elégséges) feltétel a „szöveg“ megértésben. Önmagában ezzel az „írásjeltömeggel“ még nem tudunk mit kezdeni, a nyelv, a nyelvtan ismerete nékül csak értelmetlen ákom-bákomnak látjuk azt.
A szekvenálás legközvetlenebb eredménye illetve a mára sem befejezett feladata az összes fehérjét kódoló mintegy 24-27 ezer gén azonosítása. Az emberi gének viszonylag csekély száma (hasonló a fonalféregben vagy kukoricában találtakhoz!) rávilágított arra, hogy a biológiai komplexitást nemcsak a génkészlet nagysága, hanem magukban a génekben rejlő egyedi sokféleség (diverzitás) és a kapcsolati láncok és dinamikus hálózatok változatossága határozza meg.
Ezalatt elsősorban a gének működését szabályozó mechanizmusok összetettségét kell érteni és azt, hogy egy gén számos különböző fehérjeláncot kódolhat. A gének katalogizálásán túlmenően a genom szekvencia megadta a gének pontos helyét és sorrendjét is a kromoszómákon. Ez az egyszerű információ óriási jelentőségű a genetikában, mert lehetővé teszi azt, hogy egy kromoszóma szakaszhoz kapcsolódó tulajdonsághoz vagy betegséghez géneket rendelhessünk hozzá. A genom szekvenciát megelőző korszakban hasonló betegség-gén hozzárendelés megállapítása több éves kutatómunkát igényelt.
Genetikai változatosság és a betegségek
Az egyedek közötti különbségeket (pl. testmagasság, testsúly, koleszterin szint a vérben, EKG hullámkomponensek arányának fiziológiás variabilitása, betegségekre való hajlam) a környezeti és genetikai különbségek összessége okozza. Genetikai különbségen azt kell értenünk, hogy bár két emberben a genom szekvenciája 99%-ban azonos, a maradék 1% eltérést mutat. A különbségeket a DNS lánc bizonyos pontjain az építőelemek (nukleotidok) különbségei okozzák.
Ezeket a variációkat SNP-nek (single nucleotide polymorphism) nevezzük és becslések szerint összesen kb. 10-15 millió található a mai emberi populációban, melyek nagy része szabadon elérhető egy nemzetközi adatbázisban (HapMap projekt, http://hapmap.ncbi.nlm.nih.gov/). A másik, emberek közti egyedi eltéréseket mutató jellegzetesség az egyes DNS szakaszok ismétlődésének száma (copy number variation, CNV, http://projects.tcag.ca/variation/). Ezen különbségek megismerése igen nagy jelentőséggel bír, hiszen ezek határozzák meg az emberek közötti biológiai különbségeket (legalábbis azok genetikai részét). Nagyon fontos, hogy bizonyos betegségek (pl. rák) esetén ezek a jellegzetességek nem öröklöttek, hanem a beteg szövetben, a betegség során alakulnak ki.
Az elmúlt évtized eredménye, hogy az SNP-k döntő többségét és egyre több CNV-t is katalogizáltak. Ez felveti annak az elvi lehetőségét, hogy egy betegségben szenvedő és egy attól mentes egyén DNS-ének elemzése alapján megtaláljuk, mi a különbség, azaz azonosítsuk azt a gént, vagy géneket, amely a betegséget okozza. Ez a cél azonban jelenleg két ok miatt nem érhető el. Az első az a gyakorlati korlát, hogy a mai technológia mintegy 1-2 millió, vagyis az összes SNP csupán mintegy 10%-ának hatékony meghatározását teszi lehetővé. A másik egy elvi probléma, nevezetesen, hogy a bármely két genom összehasonlításakor talált több milliónyi eltérés döntő többsége semmilyen problémát nem okoz. Ezért a genetika alapproblémája azon eltérések megtalálása az összes variáció tengerében, amelyek valóban betegséget okoznak. Annak ellenére, hogy a betegségeket okozó variánsok meghatározása az orvosi genetika alapvető célkitűzése, ez a betegségek többségében mindmáig nem megoldott feladat.
Betegségek asszociációs analízise, biobankok
Az utóbbi évek legsikeresebb technikája, az asszociációs analízis alapkérdése az, hogy a genom több milliónyi variációja közül melyek azok, amelyek összefüggést mutatnak egy adott betegséggel. Teljes genom szűrések az egész örökítő anyagra vonatkozó asszociációs analízist jelentenek (GWAS: genome-wide association study). Rendkívül lényeges az, hogy nagy számú, különböző etnikumokból (kaukazoid, orientál, negroid, stb.) származó egyedi genom többszörös vizsgálatára kerüljön sor, hogy kiszűrődjenek a jelentéktelen egyedi eltérések. Ezért van akkora értékük az un. biobankoknak (szövet, DNS, RNS, fehérjegyűjtemények), ahol a törvények által szabályozott személyiségi jogokat figyelembe véve sokféle beteg- és egészséges ember nagyszámú mintáját őrzik. Nagy jelentőségű e tekintetben a most befejezett un. „1000 genom“ projekt, és a közeljövőben még nagyobb hasonló vizsgálatokat terveznek. Minderre a szekvenálás költségeinek radikális csökkenése is lehetőséget ad. Az ilyen vizsgálatokhoz első lépésben össze kell állítanunk egy betegekből és egy egészségesekből álló csoportot. Ezután meg kell határoznunk a két csoport minden tagjában, hogy milyen genetikai eltéréseket hordoznak. Ezen adatok birtokában összehasonlítható a variánsok előfordulási gyakorisága a két csoportban. Azok a variánsok, amelyek hasonló mértékben fordulnak elő a két populációban, valószínűleg nem játszanak szerepet a betegség kialakulásában. Ezzel szemben azok az SNP-k, amelyeknek variánsai különböző gyakoriságúak a két csoportban, kapcsolatba hozhatóak a betegséggel. A genom szekvencia ismeretében az is megállapítható, hogy az azonosított SNP-k mely génekben, vagy gének közelében helyezkednek el. Ilyen módon azonosíthatóak azok a gének, amelyeknek szerepük van a betegség kifejlődésében. Az utóbbi évek eredménye számos olyan gén felfedezése, melyek variánsai szerepet játszanak a cukorbetegség, asztma, magas vérnyomás, agydaganat, szívinfarktus és sok más betegség kialakulásában. A jövő ígérete az, hogy ezen gének működésének gyógyszeres befolyásolása elvezethet e betegségek megelőzéséhez és gyógyításához.
Káosz vagy kiút? Hálózat!
Kapkodjuk a fejünket, laikus és szakember egyaránt. Gének, génvariánsok sokasága. Bonyolult betegségek, szabályozási rendszerek. Jelentős eltérések az emberiség etnikai sokféleségének tükrében. Nagyszámú, időben változó környezeti hatás. Töménytelen adatóceán. Átlátható-e mindez? Nem reménytelen-e eligazodni benne? Lehet-e rendszert találni benne?
Igen, mindez tökéletesen átírta a szimpla „mutasd meg a géntérképed, és megmondom, ki vagy” felfogást. Ma már tudjuk, hogy ez egy igen összetett rendszer: gének és környezet, rendszerbiológia hálózatos rendszere. A kulcsszó: HÁLÓZAT. Mai tudásunk, szemléletünk, kutatási stratégiánk középpontjában a biológiai hálózatok, hálózati modellek állnak. A hálózatok csomópontokból és az őket összekötő élekből állnak. Előbbiek a hálózat elemeit, utóbbiak a köztük lévő kölcsönhatásokat jellemzik. A hálózatokon belül alhálózatok rajzolódnak ki, és ezek egyedi vizsgálata reményeink szerint kiutat jelent az adatok fullasztó özönében.
A hiányzó örökölhetőség („missing heritability”) lehetséges magyarázatai
A legtöbb eddig azonosított változat ellenére a genetikai kockázatokra (pl. egy családi öröklés tekintetében), vagy akár a testmagasságra az esetek többségében nem lehet pontos predikciót tenni. Így vetődik fel a „hiányzó” örökölhetőség” fogalma. Ennek ma több okát látjuk:
- Nagy populációt érintő betegségek (pl. cukorbetegség, szív- és érrendszeri, gyulladásos és daganatos betegségek komplex, összetett, multifaktoriális kórképek. Ez azt jelenti, hogy számos, időben is változó, egymással hálózatokban kölcsönható genetikai faktor koincidenciája lehet a rendellenességek hátterében.
- Ezek vizsgálatára a GWAS (a teljes genom, az összes gén szintjén megvalósított) vizsgálatok és a gén-gén kölcsönhatásokat informatikailag analizáló, ma még csak elvétve gyakorolt teljesen újszerű bioinformatikai, biomatematikai megközelítések alkalmasak csak.
- Eddig nem azonosított, DNS szintű, de a túlnyomó (>98%) nem-kódoló genomikus régióhoz tartozó elemek (ismétlődő szakaszok, ugráló genetikai elemek) hatása és korábban nem ismert szabályozási szintek (pl. mikro RNS) szerepe ma még távolról sincsenek feltárva.
- Egyre nagyobb figyelmet kapnak az epigenetikai hatások (pl. anyai hatások, fizikai aktivitás, táplálkozás, fertőzések, pszichoszociális és stressoldással kapcsolatos hatások, cirkodián események, fény, toxinok-gyógyszerek hatása). Ezek a hatások jelentős mértékben kovalens hatások, amelyek a gének expressziójára hatnak, DNS és hiszton metiláció, hiszton acetiláció, telomeráz hatás, stb. formájában. Mivel az epigenetikai jelenségek egy része reverzibilis, a folyamat megfordíthatósága az életmód (és annak megváltoztatása) jelentős egészségügyi hatással járhat.
- Úgy tűnik, hogy az emberi populációban előforduló un. ritka genetikai variánsok (allélek) biológiai hatása jelentősen nagyobb mint a gyakori változatoké. Az amúgy evolúciósan teljesen érthető tény jelentősen emeli a releváns következtetésekhez szükséges vizsgálatok számát, a tanulmányozandó kohortok méretét.
- A kis molekulatömegű molekulák (metabolom) eddig csak közelítően megismert hatása is jelentős tényező lehet.
- Az emberi szervezettel együttélő hatalmas méretű „mikrobiom” máig csak részlegesen megismert hatása (legalább 10x-annyi prokarióta sejt van az egészséges emberek szervezetében, mint ahány emberi sejtünk!).
A jövő: személyreszabott orvoslás és a tudatos egészségnevelés
A betegségek genetikai struktúrájának felderítése óriási jelentőségű az orvoslás szempontjából, hiszen az előbbi esetben (homogenitás) ugyanaz a gyógymód mindenkin segít, míg az utóbbiban (heterogenitás) várhatóan minden betegnél más beavatkozás lesz a leghatékonyabb. A távlati célok megvalósulásáig azonban még több kritikus problémát kell megoldani.
Először is szükség lesz még sokkal több ember genom szekvenciájának ismeretére. Tavaly fejeződött be az un. „1000 genom projekt“. Kínai genetikusok közeli célul tűzték ki az egy millió ember teljes genomjának elolvasását. Az „új generációs szekvenálási módszerek bekerülése és rohamosan csökkenő költségei miatt igen valószínű, hogy ez a cél pár éven belül meg fog valósulni.
Másodszor, meg kell tudnunk mondani minden egyes variánsról, hogy hozzájárul-e a betegséghez, vagy például egy adott gyógyszer lebontásának kinetikájához és ha igen, milyen mértékben. Ennek megállapítása igen nehéz feladatnak ígérkezik, tekintve, hogy a betegségeket okozó variánsok száma valószínűleg nagy és a legtöbb emberben különböző.
Mindazonáltal ennek a genetikai információnak a birtokában megbecsülhető lesz majd a betegségek kialakulásának genetikai kockázata még azok bekövetkezte előtt, ami lehetőséget nyújthat a megelőzésre. Például az elhízásra hajlamosító genetikai variánsokat hordozó gyerekeknél korai életmódváltoztatással a későbbi megbetegedés elkerülhető lehet.
Végül a genetikai információra alapuló orvoslás talán legnagyobb kihívása a variánsokat hordozó gének működését célzottan befolyásoló és legkisebb mellékhatást előidéző gyógyszerek illetve személyre szabott vakcinák kifejlesztése lesz. Nem kétséges, hogy a személyre szabott orvoslás, a rendszer szemléletű medicina megoldandó problémái között a 21. század orvosi genetikai/genomikai kutatásai mellett a társadalmi, szociális és nevelési kérdések is kiemelt jelentőséggel bírnak.
A sorok írója az egészségnevelést a tudás közérthető terjesztését döntő fontosságúnak tartja kisgyerekkortól kezdődően saját testünk és a környezetünk (biológai-, társadalmi- és információs) megismerése és a jelen és jövőbeni magyar társadalom egészsége, életminősége szempontjából.
