October 1, 1993, to September 30, 1998 (FY 1994-98)Mapping and Sequencing the Human Genome
Genetic Mapping
- Ukończenie mapy 2- do 5-cM do 1995. (Cele dotyczące rozdzielczości mapy pozostają niezmienione.)
- Rozwój technologii szybkiego genotypowania.
- Opracowanie markerów, które są łatwiejsze w użyciu.
- Rozwój nowych technologii mapowania.
Mapowanie fizyczne
- Ukończenie mapy STS (sequence tagged site) ludzkiego genomu z rozdzielczością 100 kb. (Cele dotyczące rozdzielczości mapy pozostają niezmienione.)
Sekwencjonowanie DNA
- Opracowanie wydajnych metod sekwencjonowania regionów DNA o długości od jednej do kilku megabaz o dużym znaczeniu biologicznym.
- Rozwój technologii dla sekwencjonowania o wysokiej wydajności, skupiając się na integracji systemów wszystkich etapów od przygotowania szablonu do analizy danych.
- Zbudowanie zdolności sekwencjonowania w celu umożliwienia sekwencjonowania w łącznym tempie 50 Mb rocznie do końca okresu. Takie tempo powinno zaowocować całkowitą liczbą 80 Mb sekwencji DNA ukończonych do końca FY 1998.
Identyfikacja genów
- Opracowanie wydajnych metod identyfikacji genów i umieszczania znanych genów na mapach fizycznych lub sekwencjonowanym DNA.
Rozwój technologii
- Substantially expand support of innovative technological developments as well as improvements in current technology for DNA sequencing and for meeting the needs of the Human Genome Project as a whole.
Model Organisms
- Dokończenie mapy STS genomu myszy w rozdzielczości 300-kb.
- Ukończenie sekwencjonowania genomów Escherichia coli i Saccharomyces cerevisiae do roku 1998 lub wcześniej.
- Kontynuacja sekwencjonowania genomów Caenorhabditis elegans i Drosophila melanogaster w celu doprowadzenia C. elegans do stanu bliskiego ukończenia do 1998 roku.
- Sekwencjonowanie wybranych segmentów DNA myszy obok odpowiadającego im ludzkiego DNA w obszarach o wysokim zainteresowaniu biologicznym.
Informatyka
- Kontynuacja tworzenia, rozwijania i obsługi baz danych i narzędzi bazodanowych dla łatwego dostępu do danych, w tym skutecznych narzędzi i standardów wymiany danych i powiązań między bazami danych.
- Konsolidacja, dystrybucja i dalszy rozwój skutecznego oprogramowania dla projektów genomowych na dużą skalę.
- Dalszy rozwój narzędzi do porównywania i interpretowania informacji genomowych.
Etyczne, prawne i społeczne implikacje (ELSI)
- Dalsze identyfikowanie i definiowanie problemów oraz opracowywanie opcji politycznych w celu ich rozwiązania.
- Opracowanie i rozpowszechnianie opcji politycznych dotyczących usług w zakresie badań genetycznych o potencjalnie szerokim zastosowaniu.
- Wspieranie większej akceptacji dla zmienności genetycznej człowieka.
- Wzmocnienie i rozszerzenie publicznej i profesjonalnej edukacji, która jest wrażliwa na kwestie socjokulturowe i psychologiczne.
Szkolenia
- Dalsze zachęcanie do szkolenia naukowców w zakresie nauk interdyscyplinarnych związanych z badaniami genomu.
Transfer technologii
- Zachęcanie i zwiększanie transferu technologii zarówno do, jak i poza ośrodki badań nad genomem.
Outreach
- Współpraca z tymi, którzy chcieliby stworzyć centra dystrybucji materiałów genomowych.
- Podzielenie się wszystkimi informacjami i materiałami w ciągu 6 miesięcy od ich opracowania. Powinno to zostać osiągnięte poprzez przekazanie informacji do publicznych baz danych lub repozytoriów, lub obu, gdzie to właściwe.
U.S. Human Genome Project Updates Goals
Niespodziewane postępy w badaniach nad genomami i bardziej wyrafinowane zrozumienie, jak osiągnąć długoterminowe cele, doprowadziły planistów projektu genomowego w NIH i DOE do aktualizacji ich początkowych 5-letnich celów. Nowy pięcioletni plan ukazał się w numerze Science z 1 października w artykule, którego współautorami są Francis Collins, dyrektor National Center for Human Genome Research, oraz David Galas, były szef DOE Human Genome Program i Associate Director of the DOE Office of Health and Environmental Research.
Nowy plan rozszerza cele badawcze w już ustanowionych kategoriach i dodaje nowe cele szczegółowe dla rozwoju technologii identyfikacji i mapowania genów. Przewiduje on również programy informacyjne mające na celu dystrybucję materiałów dotyczących genomu wśród społeczności naukowej. Chociaż plan obejmuje następne 5 lat projektu (do września 1998 roku), cele zostały zaprojektowane tak, aby zaspokoić zarówno długo-, jak i krótkoterminowe potrzeby.
Otrzymanie kompletnej sekwencji ludzkiego DNA jest nadal ostatecznym celem projektu. Chociaż nadal toczy się dyskusja na temat wartości sekwencjonowania całego genomu, naukowcy zdają sobie sprawę z wagi informacji o sekwencji DNA w ujawnianiu genów i innych informacji biologicznych, których nie można uzyskać za pomocą technik o mniejszej skali.
Nowe cele ponownie zakładają poziom finansowania programu całego genomu w wysokości 200 milionów dolarów rocznie, skorygowany o inflację po 1990 roku. Chociaż taką kwotę zakładano również podczas opracowywania i realizacji pierwotnych celów, środki nigdy nie osiągnęły tego poziomu. Finansowanie projektu genomu w USA w roku budżetowym 1994 (który rozpoczął się 1 października) wynosi około 170 milionów dolarów.
Potrzebny nowy plan Postęp w ciągu ostatnich 3 lat sprawił, że początkowe cele są w zasięgu ręki dzięki szczegółowym mapom genetycznym człowieka; ulepszonym fizycznym mapom genom człowieka i organizmów modelowych; rozwojowi technologii sekwencjonowania DNA i informatyki; oraz identyfikacji głównych problemów etycznych, prawnych i społecznych (ELSI) dotyczących zwiększonej dostępności informacji genetycznej. Chociaż pierwszy 5-letni plan miał wygasnąć dopiero we wrześniu 1995 roku, „postępy w badaniach nad genomami już zmieniły sposób prowadzenia badań” – powiedział Collins. „Musimy włączyć te postępy do naszych obecnych celów badawczych, aby zapewnić, że program nadal będzie ambitny i nowatorski.”
Projekt genomowy już wywarł głęboki wpływ na badania biomedyczne. W ciągu zaledwie kilku ostatnich lat mapy wygenerowane przez badaczy projektu pomogły w znalezieniu genów związanych z dziesiątkami chorób genetycznych, w tym z zespołem Menkesa, zaburzeniem immunologicznym typu X – amaglobulinemią, chorobą Huntingtona, dystrofią miotoniczną, zespołem kruchego X, neurofibromatozą typu 1 i 2 oraz innymi. Oprócz identyfikacji wielu innych genów chorób, inne przyszłe osiągnięcia umożliwią naukowcom zbadanie mutacji genów i skutków zdrowotnych spowodowanych przez czynniki środowiskowe.
Opracowanie nowych celów Przy opracowywaniu nowych celów grupa robocza NIH-DOE szukała porad wśród naukowców, innych zainteresowanych uczonych i przedstawicieli społeczeństwa, w tym wielu spoza Human Genome Project. (Raporty z tych spotkań są dostępne w HGMIS i Biurze Komunikacji NCHGR; kontakt
HGMIS, ORNL, 1060 Commerce Park, MS6480, Oak Ridge, TN 37831;
NCHGR, Bethesda, MD 20892; 301/402-0911, Fax: -4570)
Plan został przedstawiony i zatwierdzony przez NIH National Advisory Council for Human Genome Research oraz DOE Health and Environmental Research Advisory Committee.
Poniżej przedstawiono kilka ogólnych spostrzeżeń leżących u podstaw konkretnych nowych celów.
Rozwój technologii. Będzie to miało nadal kluczowe znaczenie dla przyszłego sukcesu programu, zwłaszcza w dziedzinie sekwencjonowania DNA na dużą skalę. Osiągnięcia, które wpływają na strategie badawcze, obejmują nowe typy markerów genetycznych (tj. mikrosatelity), które można oznaczyć za pomocą łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR); ulepszone systemy wektorów do klonowania dużych fragmentów DNA i metody łączenia klonów w mapy fizyczne; wykorzystanie miejsc oznaczonych sekwencją (STS) jako wspólnych jednostek mapowania fizycznego; oraz ulepszoną technologię sekwencjonowania DNA i automatyzację.
Przyszłe wysiłki w zakresie mapowania. Te wysiłki powinny skupić się na regionach zarówno większych, jak i mniejszych niż pojedynczy chromosom, podstawowa jednostka dotychczasowej analizy genomu. (Przeciętny” ludzki chromosom zawiera około 150 Mb.) Produkcja map całego genomu o niskiej rozdzielczości jest obecnie możliwa dzięki zastosowaniu PCR i robotów. Coraz więcej uwagi należy poświęcić dokładnemu odwzorowaniu mniejszych regionów DNA (od jednej do kilku megabaz). Plan przewiduje, że milion baz to ambitny wymiar szczegółowej analizy, który zapewni „użyteczny pomost” pomiędzy konwencjonalną genetyką a badaniami genomicznymi na większą skalę, jak również „fundament dla innowacji” w celu opracowania metod mających zastosowanie do większych regionów. Planiści zauważają, że już osiągnięty postęp pozwala na większe skupienie się na informacji o genach, aby wzbogacić tworzone mapy.
Szczegółowe cele obejmujące okres od 1 października 1993 do 30 września 1998, pojawiają się w dodatkowym artykule w HGN 5(4):2 zatytułowanym „Five-Year Goals”. Więcej szczegółów odnoszących się do tych celów podano poniżej.
Mapa genetyczna. Naukowcy oczekują, że mapa genetyczna określona w pierwszym planie pięcioletnim zostanie ukończona na czas, ale potrzebne są ulepszenia technologiczne, aby umożliwić szybkie typowanie rodzin przez osoby niebędące ekspertami i jednoczesne testowanie wielu markerów u dużej liczby osób przez naukowców badających złożone choroby genetyczne. Potrzebne są również metody zautomatyzowanego przesiewania markerów polimorficznych oraz nowe strategie mapowania genów nie oparte na standardowym zestawie markerów polimorficznych.
Mapa fizyczna. Fizyczna mapa ludzkiego genomu oparta na STS o średniej rozdzielczości około 300 kb zostanie ukończona w ciągu 2 do 3 lat. Ponieważ ten poziom szczegółowości nie jest wystarczająco użyteczny ani dla twórców map genów, ani dla sekwencjonerów, plan zakłada umieszczenie markerów w odstępach 100-kb. Taka mapa byłaby przydatna dla badaczy stosujących konwencjonalne metody izolacji genów zlokalizowanych w obrębie 100 kb od zmapowanego markera lub w preparatach do sekwencjonowania DNA.
Aby ułatwić odnajdywanie genów i sekwencjonowanie DNA, potrzebne są nowe podejścia do konstruowania map o wyższej rozdzielczości oraz systemy klonowania ściśle związane z rozwojem technologii sekwencjonowania. Plan zaleca również ulepszenie bibliotek klonów pod względem stabilności i chimeryzmu oraz zwiększenie ich dostępności.
Sekwencjonowanie DNA. Chociaż koszty sekwencjonowania osiągną pierwotny cel z 1996 roku, czyli 0,50 USD/bp, planiści szacują, że do opracowania technologii sekwencjonowania o wystarczającej szybkości sekwencjonowania, która pozwoli na sekwencjonowanie całego ludzkiego genomu do 2005 roku, potrzebne będzie 100 milionów dolarów rocznie. Dalsza redukcja kosztów i zwiększona zdolność do oceny dokładności sekwencji są również krytyczne. Plan zaleca zwiększenie liczby grup pracujących nad sekwencjonowaniem na dużą skalę, udoskonalenie konwencjonalnych metod opartych na żelu oraz opracowanie nowych, rewolucyjnych metod.
IDENTYFIKACJA GENÓW. Postępy w mapowaniu i udoskonalenia technologiczne umożliwiły planistom projektu określenie rozwoju technologii identyfikacji genów jako nowego celu. Włączenie genów do szybko rosnącego zbioru map i sekwencji genomów zarówno człowieka jak i organizmów modelowych uczyni te zasoby bardziej użytecznymi dla naukowców badających ich wpływ na zdrowie człowieka.
Rozwój technologii. Zachęca się do współpracy w rozwijaniu istotnych nowych technologii, zwłaszcza automatyki i robotyki, które można rozszerzyć i eksportować do laboratoriów nauk podstawowych sekwencjonujących genomy niebadane w ramach Human Genome Project.
Organizmy modelowe. Pierwotne cele zostaną prawdopodobnie przekroczone dla mapy genetycznej myszy, mapy fizycznej Drosophila melanogaster oraz sekwencjonowania DNA Escherichia coli, Sacharomyces cerevisiae i Caenorhabditis elegans. Priorytety obejmują ukończenie mapy myszy i sekwencjonowanie określonych organizmów modelowych.
Informatyka. Chociaż poczyniono znaczne postępy, dalszy rozwój dostępnych, przyjaznych dla użytkownika narzędzi do zbierania, organizowania i interpretowania ogromnych ilości danych nadal ma kluczowe znaczenie dla sukcesu projektu. Główne przyszłe cele to zarządzanie danymi, analiza i dystrybucja.
ELSI. Dyskusje na temat ELSI są związane zarówno z badaniami genomicznymi, jak i z wykorzystaniem danych, które z nich wynikają. Wstępne opcje polityczne dotyczące tego wykorzystania są opracowywane dla czterech obszarów zidentyfikowanych jako mające największy natychmiastowy potencjalny wpływ na społeczeństwo: prywatność, sprawiedliwość, zastosowania kliniczne oraz edukacja zawodowa i publiczna. Raporty dotyczące pełnego zakresu zagadnień będą nadal przedstawiane w ciągu następnych 2 lat.
Politycy muszą brać pod uwagę wpływy kulturowe i inne wpływy społeczne, przygotowując politykę, która przewiduje rosnący wpływ powszechnych badań genetycznych na społeczeństwo. Zaleca się również aktywne zaangażowanie zainteresowanych osób i grup w opracowywanie opcji politycznych, jak również zwiększenie edukacji publicznej i zawodowej na wszystkich poziomach w celu zapobiegania stygmatyzacji i dyskryminacji.
Szkolenia. Ze względu na zwiększoną liczbę ośrodków genomowych oczekuje się, że powstanie więcej wysokiej jakości programów szkoleniowych, aby zaspokoić zapotrzebowanie na interdyscyplinarne szkolenia naukowców w zakresie badań genomowych.
Transfer technologii. Powstało już wiele nowych firm zajmujących się rozwojem zastosowań badań nad genomem, a współpraca między finansowanymi przez rząd naukowcami zajmującymi się genomem a sektorem prywatnym wzrosła. Plan zachęca do dalszej współpracy z przemysłem, ale ostrzega, że należy zachować ostrożność, aby uniknąć konfliktu interesów. Transfer technologii z innych dziedzin do centrów genomowych również musi mieć miejsce.
Zasięg. Sektor prywatny jest zachęcany (w niektórych przypadkach z finansowaniem zalążkowym) do tworzenia centrów dystrybucji materiałów genomowych i szybkiego reagowania na zmieniające się potrzeby społeczności naukowej. Polityka udostępniania danych i materiałów (w ciągu 6 miesięcy od utworzenia) została dobrze przyjęta.
Współpraca międzynarodowa
Nowy plan 5-letni DOE-NIH podkreśla „ducha międzynarodowej współpracy i dzielenia się”, który charakteryzował Human Genome Project i odegrał główną rolę w jego sukcesie.
Organizacja Human Genome Organization została pochwalona za koordynację międzynarodowych wysiłków badawczych poprzez organizowanie warsztatów chromosomowych, aby zachęcić do współpracy i przyspieszyć ukończenie map chromosomowych.
Niezwykłe międzynarodowe współprace:
- Projekt sekwencjonowania Caenorhabditis elegans (Stany Zjednoczone i Wielka Brytania).
- Projekt fizycznego mapowania chromosomu 16 (Los Alamos National Laboratory i Australia).
- Mapa fizyczna chromosomu 21 o wysokiej rozdzielczości (Lawrence Livermore National Laboratory i Japonia).
- Mapa genetyczna człowieka (NIH i Centre d’Etude du Polymorphisme Humain).
- Whole-genome approach to a human physical map (Whitehead Institute and Genethon).