Dal 1 ottobre 1993 al 30 settembre 1998 (FY 1994-98)Mappatura e sequenziamento del genoma umano
Mappatura genetica
- Completare la mappa da 2 a 5 cm entro il 1995. (Gli obiettivi per la risoluzione della mappa rimangono invariati.)
- Sviluppare la tecnologia per la genotipizzazione rapida.
- Sviluppare marcatori che siano più facili da usare.
- Sviluppare nuove tecnologie di mappatura.
Mappatura fisica
- Completare una mappa del sito taggato di sequenza (STS) del genoma umano ad una risoluzione di 100 kb. (Gli obiettivi per la risoluzione della mappa rimangono invariati.)
Sequencing del DNA
- Sviluppare approcci efficienti per sequenziare regioni da uno a diversi megabase di DNA di alto interesse biologico.
- Sviluppare la tecnologia per il sequenziamento ad alta produttività, concentrandosi sull’integrazione dei sistemi di tutte le fasi, dalla preparazione del modello all’analisi dei dati.
- Costruire una capacità di sequenziamento per consentire il sequenziamento ad un tasso collettivo di 50 Mb all’anno entro la fine del periodo. Questo tasso dovrebbe risultare in un aggregato di 80 Mb di sequenze di DNA completate entro la fine dell’anno 1998.
Identificazione dei geni
- Sviluppare metodi efficienti per l’identificazione dei geni e per il posizionamento di geni noti su mappe fisiche o DNA sequenziato.
Sviluppo della tecnologia
- Espandere sostanzialmente il supporto di sviluppi tecnologici innovativi così come i miglioramenti della tecnologia attuale per il sequenziamento del DNA e per soddisfare le esigenze del Progetto Genoma Umano nel suo complesso.
Organismi modello
- Finire una mappa STS del genoma del topo ad una risoluzione di 300 kb.
- Finire la sequenza dei genomi di Escherichia coli e Saccharomyces cerevisiae entro il 1998 o prima.
- Continuare il sequenziamento dei genomi di Caenorhabditis elegans e Drosophila melanogaster con l’obiettivo di portare C. elegans al quasi completamento entro il 1998.
- Sequenziare segmenti selezionati di DNA di topo fianco a fianco con il corrispondente DNA umano in aree di alto interesse biologico.
Informatica
- Continuare a creare, sviluppare e gestire database e strumenti di database per un facile accesso ai dati, compresi strumenti efficaci e standard per lo scambio di dati e collegamenti tra database.
- Consolidare, distribuire e continuare a sviluppare un software efficace per progetti di genoma su larga scala.
- Continuare a sviluppare strumenti per confrontare e interpretare le informazioni sul genoma.
Implicazioni etiche, legali e sociali (ELSI)
- Continuare a identificare e definire le questioni e sviluppare opzioni politiche per affrontarle.
- Sviluppare e diffondere le opzioni politiche riguardanti i servizi di test genetici con potenziale uso diffuso.
- Favorire una maggiore accettazione della variazione genetica umana.
- Migliorare ed espandere l’educazione pubblica e professionale che è sensibile alle questioni socioculturali e psicologiche.
Formazione
- Continuare ad incoraggiare la formazione di scienziati in scienze interdisciplinari relative alla ricerca sul genoma.
Trasferimento tecnologico
- Incoraggiare e migliorare il trasferimento tecnologico sia all’interno che all’esterno dei centri di ricerca sul genoma.
Outreach
- Cooperare con coloro che vorrebbero stabilire centri di distribuzione per materiali sul genoma.
- Condividere tutte le informazioni e i materiali entro 6 mesi dal loro sviluppo. Questo dovrebbe essere realizzato attraverso la presentazione delle informazioni ai database pubblici o ai depositi, o entrambi, se del caso.
Il Progetto Genoma Umano degli Stati Uniti aggiorna gli obiettivi
I progressi previsti nella ricerca sul genoma e la comprensione più sofisticata di come raggiungere gli obiettivi a lungo termine hanno portato i pianificatori del progetto genoma al NIH e al DOE ad aggiornare i loro obiettivi iniziali di 5 anni. Il nuovo piano quinquennale è apparso nel numero del 1 ottobre di Science in un articolo coautore di Francis Collins, direttore del National Center for Human Genome Research, e David Galas, già capo del DOE Human Genome Program e direttore associato del DOE Office of Health and Environmental Research.
Il nuovo piano estende gli obiettivi di ricerca in categorie già stabilite e aggiunge nuovi obiettivi specifici per lo sviluppo della tecnologia per l’identificazione e la mappatura dei geni. Prevede anche programmi di divulgazione per distribuire materiali sul genoma alla comunità scientifica. Sebbene il piano copra i prossimi 5 anni del progetto (fino a settembre 1998), gli obiettivi sono stati progettati per affrontare le necessità sia a lungo che a breve termine.
Il raggiungimento della sequenza completa del DNA umano è ancora l’obiettivo finale del progetto. Anche se il dibattito continua sul valore del sequenziamento dell’intero genoma, i ricercatori riconoscono l’importanza delle informazioni sulla sequenza del DNA nel rivelare i geni e altre informazioni biologiche che non potrebbero essere ottenute con tecniche su piccola scala.
I nuovi obiettivi presuppongono nuovamente un livello di finanziamento per il programma del genoma intero di 200 milioni di dollari all’anno, aggiustato per l’inflazione dopo il 1990. Sebbene questo importo sia stato ipotizzato anche quando gli obiettivi iniziali sono stati sviluppati e implementati, gli stanziamenti non hanno mai raggiunto quel livello. Il finanziamento del progetto genoma degli Stati Uniti per l’anno fiscale 1994 (iniziato il 1° ottobre) è di circa 170 milioni di dollari.
Un nuovo piano è necessario I progressi degli ultimi 3 anni hanno messo gli obiettivi iniziali ben a portata di mano con mappe genetiche umane dettagliate; mappe fisiche migliorate dei genomi umani e di organismi modello; sviluppo del sequenziamento del DNA e della tecnologia informatica; e identificazione delle principali questioni etiche, legali e sociali (ELSI) riguardanti la maggiore disponibilità di informazioni genetiche. Anche se il primo piano quinquennale non sarebbe scaduto prima del settembre 1995, “I progressi nella ricerca sul genoma hanno già cambiato il modo di fare ricerca”, ha detto Collins. “Abbiamo bisogno di incorporare questi progressi nei nostri attuali obiettivi di ricerca per assicurare che il programma continui ad essere ambizioso e all’avanguardia.”
Il progetto genoma ha già avuto un profondo impatto sulla ricerca biomedica. Solo negli ultimi anni, le mappe generate dai ricercatori del progetto hanno aiutato a trovare i geni associati a dozzine di condizioni genetiche, tra cui la sindrome di Menkes, l’ammaglobulinemia, la malattia di Huntington, la distrofia miotonica, la sindrome della X fragile, i tipi 1 e 2 di neurofibromatosi e altri. Oltre all’identificazione di molti altri geni malattia, altri sviluppi futuri permetteranno ai ricercatori di esplorare le mutazioni genetiche e gli effetti sulla salute causati da agenti ambientali.
Sviluppo di nuovi obiettivi Nello sviluppo dei nuovi obiettivi, un gruppo di lavoro NIH-DOE ha cercato consigli da scienziati, altri studiosi interessati e rappresentanti pubblici, compresi molti al di fuori del Progetto Genoma Umano. (I rapporti di questi incontri sono disponibili presso l’HGMIS e l’Ufficio Comunicazioni del NCHGR; contattare
HGMIS, ORNL, 1060 Commerce Park, MS6480, Oak Ridge, TN 37831;
NCHGR, Bethesda, MD 20892; 301/402-0911, Fax: -4570)
Il piano è stato presentato e approvato dal NIH National Advisory Council for Human Genome Research e dal DOE Health and Environmental Research Advisory Committee.
Queste sono alcune osservazioni generali alla base dei nuovi obiettivi specifici.
Sviluppo tecnologico. Questo continuerà ad essere cruciale per il successo futuro del programma, in particolare nell’area del sequenziamento del DNA su larga scala. I risultati che influenzano le strategie di ricerca includono nuovi tipi di marcatori genetici (cioè microsatelliti) analizzabili con la reazione a catena della polimerasi (PCR); sistemi vettoriali migliorati per la clonazione di grandi frammenti di DNA e metodi per assemblare i cloni in mappe fisiche; uso di siti con tag di sequenza (STS) come entità comuni di mappatura fisica; e migliore tecnologia e automazione del sequenziamento del DNA.
Futuri sforzi di mappatura. Questi sforzi dovrebbero concentrarsi su regioni sia più grandi che più piccole di un singolo cromosoma, l’unità di base dell’analisi del genoma fino ad oggi. (Un cromosoma umano “medio” contiene circa 150 Mb.) La produzione di mappe a bassa risoluzione dell’intero genoma è ora possibile grazie agli sviluppi della PCR e della robotica. È necessario prestare sempre più attenzione alla mappatura dettagliata di regioni di DNA più piccole (da uno a pochi megabasi). Un milione di basi è una dimensione ambiziosa per l’analisi dettagliata, dice il piano, e fornirà un “utile ponte” tra la genetica convenzionale e la ricerca genomica su larga scala, nonché una “base per l’innovazione” per sviluppare metodi con applicabilità a regioni più grandi. I pianificatori notano che i progressi già raggiunti permettono una maggiore attenzione alle informazioni sui geni per arricchire le mappe prodotte.
Gli obiettivi specifici che coprono il periodo tra il 1 ottobre 1993 e il 30 settembre 1998, appaiono in un articolo aggiuntivo in HGN 5(4):2 chiamato “Five-Year Goals”. Ulteriori dettagli relativi a questi obiettivi sono riportati di seguito.
Mappa genetica. I ricercatori si aspettano che la mappa genetica specificata nel primo piano quinquennale sarà completata in tempo, ma sono necessari miglioramenti tecnologici per consentire una rapida tipizzazione delle famiglie da parte di non esperti e test simultanei multimarcatore di un gran numero di individui da parte dei ricercatori che studiano malattie genetiche complesse. Sono necessari anche metodi per lo screening automatico dei marcatori polimorfici e nuove strategie di mappatura dei geni non basate su un set standard di marcatori polimorfici.
Mappa fisica. Una mappa fisica del genoma umano basata su STS con una risoluzione media di circa 300 kb sarà completata entro 2 o 3 anni. Poiché questo livello di dettaglio non è sufficientemente utile né ai mappatori di geni né ai sequenziatori, il piano prevede marcatori posti a intervalli di 100 kb. Una tale mappa sarebbe utile ai ricercatori che utilizzano metodi convenzionali per isolare i geni localizzati entro 100 kb di un marcatore mappato o nelle preparazioni di sequenziamento del DNA.
Per facilitare la ricerca dei geni e il sequenziamento del DNA, sono necessari nuovi approcci per costruire mappe a più alta risoluzione e per sistemi di clonazione strettamente legati allo sviluppo della tecnologia di sequenziamento. Il piano raccomanda anche di migliorare le librerie di cloni per quanto riguarda la stabilità e il chimerismo e di aumentare la loro accessibilità.
Sequenziamento del DNA. Anche se i costi di sequenziamento raggiungeranno l’obiettivo originale del 1996 di $0,50/bp, i pianificatori stimano che saranno necessari 100 milioni di dollari all’anno per sviluppare una tecnologia di sequenziamento di velocità sufficiente a permettere il sequenziamento dell’intero genoma umano entro il 2005. Un’ulteriore riduzione dei costi e una maggiore capacità di valutare l’accuratezza delle sequenze sono anch’esse critiche. Il piano raccomanda di espandere il numero di gruppi che lavorano sul sequenziamento su larga scala, migliorando gli approcci convenzionali basati su gel, e sviluppando nuovi metodi rivoluzionari.
Identificazione genica. Il progresso della mappatura e i miglioramenti tecnologici hanno permesso ai pianificatori del progetto di specificare lo sviluppo della tecnologia di identificazione dei geni come un nuovo obiettivo. Incorporare i geni nel corpo in rapida crescita delle mappe e delle sequenze dei genomi umani e di organismi modello renderà queste risorse più utili ai ricercatori che esplorano i loro effetti sulla salute umana.
Sviluppo della tecnologia. La cooperazione è incoraggiata nello sviluppo di nuove tecnologie vitali, specialmente l’automazione e la robotica, che sono espandibili ed esportabili ai laboratori di scienze di base che sequenziano genomi non studiati nel Progetto Genoma Umano.
Organismi modello. Gli obiettivi originali saranno probabilmente superati per la mappa genetica del topo, la mappa fisica di Drosophila melanogaster e il sequenziamento del DNA di Escherichia coli, Sacharomyces cerevisiae e Caenorhabditis elegans. Le priorità includono il completamento della mappa del topo e il sequenziamento di specifici organismi modello.
Informatica. Anche se sono stati fatti molti progressi, l’ulteriore sviluppo di strumenti accessibili e facili da usare per raccogliere, organizzare e interpretare grandi quantità di dati continua ad essere cruciale per il successo del progetto. I principali obiettivi futuri sono la gestione, l’analisi e la distribuzione dei dati.
ELSI. Le discussioni sull’ELSI sono legate sia alla ricerca genomica che all’uso dei dati che produce. Le opzioni politiche iniziali riguardanti questo uso sono in fase di sviluppo per quattro aree identificate come quelle che hanno il maggiore impatto potenziale immediato sulla società: privacy, equità, applicazioni cliniche e formazione professionale e pubblica. I rapporti sull’intera gamma di questioni continueranno ad essere presentati durante i prossimi 2 anni.
I responsabili politici devono considerare le influenze culturali e altre influenze sociali mentre preparano politiche che anticipano l’impatto crescente sul pubblico della diffusione dei test genetici per condizioni comuni. Si raccomanda e si incoraggia anche il coinvolgimento attivo di individui e gruppi interessati nello sviluppo di opzioni politiche, così come una maggiore educazione pubblica e professionale a tutti i livelli per prevenire la stigmatizzazione e la discriminazione.
Formazione. A causa dell’aumento del numero di centri sul genoma, ci si aspetta che vengano stabiliti più programmi di formazione di alta qualità per soddisfare il bisogno di formazione interdisciplinare degli scienziati per la ricerca sul genoma.
Trasferimento tecnologico. Molte nuove aziende sono già state fondate per sviluppare applicazioni della ricerca sul genoma, e sono aumentate le collaborazioni tra gli scienziati del genoma finanziati dal governo e il settore privato. Il piano incoraggia un’ulteriore cooperazione con l’industria, ma avverte che bisogna fare attenzione ad evitare conflitti d’interesse. Il trasferimento di tecnologia da altri campi ai centri del genoma deve anche verificarsi.
Outreach. Il settore privato è incoraggiato (con finanziamenti di avviamento in alcuni casi) a stabilire centri di distribuzione per i materiali del genoma e a rispondere rapidamente alle esigenze in evoluzione della comunità scientifica. La politica sulla condivisione dei dati e dei materiali (entro 6 mesi dalla creazione) è stata ben accettata.
Cooperazione internazionale
Il nuovo piano quinquennale del DOE-NIH riconosce lo “spirito di cooperazione e condivisione internazionale” che ha caratterizzato il Progetto Genoma Umano e ha giocato un ruolo importante nel suo successo.
L’Organizzazione del Genoma Umano è stata lodata per aver coordinato gli sforzi di ricerca internazionali organizzando workshop sui cromosomi per incoraggiare la collaborazione e accelerare il completamento della mappa cromosomica.
Le collaborazioni internazionali degne di nota:
- Progetto di sequenziamento di Caenorhabditis elegans (Stati Uniti e Regno Unito).
- Progetto di mappatura fisica del cromosoma 16 (Los Alamos National Laboratory e Australia).
- Mappa fisica ad alta risoluzione del cromosoma 21 (Lawrence Livermore National Laboratory e Giappone).
- Mappa genetica umana (NIH e Centre d’Etude du Polymorphisme Humain).
- Whole-genome approach to a human physical map (Whitehead Institute and Genethon).