211service.com
Førerhunde
Den ideelle boxerhund er stærk, firkantet bygget, glat. Opdrættere belønner den for dets mejslede hoved. Hovedets skønhed afhænger af den harmoniske andel af næseparti til kraniet, læs American Kennel Clubs standarder for racen. Den stumpe næseparti er en tredjedel af hovedets længde fra nakkeknuden til næsespidsen og to tredjedele af kraniets bredde. Intelligent og opmærksom, en bokser formidler ynde med hver bevægelse.
Strukturen af genomet, der ligger til grund for bokserens yndefulde bygning, er også smuk, siger Kerstin Lindblad-Toh, molekylærbiologen, der ledede indsatsen for at sekventere hundens genom. Som meddirektør for programmet i genomsekventering og analyse ved Broad Institute for Genomic Medicine har Lindblad-Toh også overvåget projekter, der involverer musen og opossum, så hun er velkvalificeret til at vurdere bokserens genomiske skønhed. Kilden til denne skønhed er en relativ mangel på genetisk diversitet, resultatet af hundrede års stramt kontrolleret avl for egenskaber som harmonisk proportionerede kranier. Den genetiske homogenitet inden for hunderacer, og snævre forskelle mellem dem, betyder, at hundens genom har værdifulde spor om årsagerne til almindelige sygdomme hos både hunde og mennesker.
Hundens genom er omkring 2,4 milliarder baser langt, men Lindblad-Tohs gruppe var i stand til at sekventere det på kun seks måneder. Broad Institute, der i fællesskab drives af MIT og Harvard University, er et genetisk kraftcenter, der er i stand til at sekventere 60 milliarder baser (bogstaverne i det genomiske alfabet) med 99 procent nøjagtighed hvert år – svarende til adskillige Human Genome Projects. Det har en større sekventeringskapacitet end næsten nogen anden offentlig eller akademisk facilitet i verden.
I dag er meget af den kapacitet allokeret til Broads pattedyr-genom-projekt. The Broad er et af tre forskningscentre finansieret af National Institutes of Health i en stor indsats for at bringe antallet af pattedyr, hvis genom er blevet sekventeret, op på omkring 30 inden for de næste par år. (De to andre centre er på Baylor College of Medicine i Houston og Washington University School of Medicine i St. Louis.) Lindblad-Toh fører tilsyn med sekventerings- og analyseprojekter for mere end 20 dyr på Broad, hvilket giver ressourcer til forskere, som stole på dyremodeller, når man studerer menneskelige sygdomme. Hendes teams indsats vil kaste mere lys over, hvordan vores eget genom reguleres og udfylde huller i vores forståelse af menneskets evolutionære historie. I sidste ende kan dette arbejde hjælpe med at besvare nogle overbevisende spørgsmål: Hvad gør et pattedyr til et pattedyr, en primat til en primat – og hvad gør os til mennesker?
Multimedier
Se billeder af Broad Institute og deres arbejde.
Unaturligt udvalg
I 2002, da hundeforskere spurgte Lindblad-Toh om sekventering af dyrets genom, tænkte hun: Åh, wow, dette må være den ideelle model. Menneskestyret avl har produceret rynkede shar-peis, mohawked Rhodesian ridgebacks og slanke borzois med smukke linjer. Men når man beriger til specifikke ønskværdige egenskaber, fanger man ofte desværre sygdomstræk med dem, siger Lindblad-Toh. Sammen med sine karakteristiske træk har hver race karakteristiske genetiske sårbarheder: udviklingsdefekter, hjertesygdomme, hofteproblemer, kræft. Hunde lider af mange af de samme sygdomme som mennesker, så forskere kan bruge deres genom til at identificere genetiske årsager til sygdommene hos begge arter.
Lindblad-Toh og hendes samarbejdspartnere ved National Human Genome Research Institute (en del af NIH) skulle først bestemme, hvilken race der skulle sekvenseres. Mennesker har dramatisk reduceret den genetiske mangfoldighed af nogle hunde ved at opdrætte f.eks. kun de mest bowlegged bulldogs og de firkantede boxere. Det er lettere at sekventere en race med lille genetisk diversitet, fordi de to kopier af hvert kromosom – en fra moderen, en fra faderen – ligner hinanden. Så da en foreløbig analyse antydede, at boksere er blandt de mindst genetisk forskellige af alle hunderacer, havde forskerne deres emne.
Selv når den genetiske mangfoldighed er begrænset, er det at udarbejde et genom som at sammensætte et meget stort, meget vanskeligt puslespil, hvis brikker er spredt ud over hele huset – kilet ind mellem sofapuder eller under en krukke sennep bagerst i køleskabet. For det første skal forskere lokalisere og identificere alle stykkerne; så står de over for den formidable opgave at samle puslespillet. Lindblad-Toh og hendes samarbejdspartnere brugte seks måneder på at sekventere segmenter af en kvindelig boksers genom og tre eller fire gange så lang tid på at sætte dem sammen og analysere dem. De offentliggjorde hundegenomet sammen med en omfattende analyse, der sammenlignede det med musens og menneskelige genomer, i tidsskriftet Natur i december 2005.
Lindblad-Toh og hendes team sammenlignede også boxer-genomet med den eksisterende undersøgelsessekvens af puddelgenomet og delsekvenser af ni andre hunderacers genom, som de havde forberedt til formålet. Som de forventede, selvom hver race har sine egne karakteristiske træk og mutationer, er alle racer stadig meget lig hinanden. (De tamracer har ikke eksisteret længe nok til, at meget forskellighed kan snige sig ind.) Disse ligheder inden for og mellem hunderacer burde gøre sygdomsrelaterede mutationer lettere at få øje på. Forskere ved Broad og andre steder afdækker i øjeblikket sygdomsgener hos hunde med hjælp fra American Kennel Club/Canine Health Foundation og Morris Animal Foundation. Forskerne tager til hundeudstillinger for at indsamle blodprøver og stamtavler, eller de får prøver fra dyrlæger. Ved hjælp af DNA-mikroarrays leder de derefter efter genetiske forskelle mellem raske hunde og dem med sygdomme.
Lindblad-Toh siger, at hun og andre brede forskere har identificeret omkring 10 gener for simple egenskaber som pelsfarve og komplekse sygdomme som kræft; de ser også på gener forbundet med kardiomyopati og diabetes. Når man finder et hundesygdomsgen, kigger man selvfølgelig med det samme i mennesker med samme sygdom, siger hun. Hunde og mennesker er ret nært beslægtede og deler versioner af de fleste af de samme gener.
Det er dog meget nemmere at afdække sygdomsmutationer hos hunde. To tilfældige rottweilere er langt tættere beslægtede end to tilfældige mennesker. Hvis de to rottweilere begge udvikler knoglekræft, hvilket er almindeligt i deres race, vil sygdommen sandsynligvis være forårsaget af flere mutationer, som begge hunde bærer. Men to mennesker med knoglekræft er mindre tilbøjelige til at have sygdomsfremkaldende mutationer til fælles. Til kræftundersøgelserne har vi haft omkring 50 til 100 syge hunde, siger Lindblad-Toh. Du har brug for et meget større udvalg af mennesker - tusindvis af patienter og raske mennesker - for at se lignende mønstre. At forstå, hvilke mutationer der forårsager en sygdom hos hunde, hjælper forskerne med at finde ud af, hvor de skal lede efter sygdomsfremkaldende mutationer hos mennesker.
Næsten to år efter offentliggørelsen af hundegenomet begynder dets løfte som et værktøj til at studere menneskelig sygdom at blive bekræftet. Lindblad-Toh siger, at hendes gruppe håber at identificere mutationer involveret i osteosarkom, en sjælden, men dødelig kræftsygdom i teenageårene. Det bliver meget spændende inden for det næste år at se, om anvendelse af [indsigt fra undersøgelse af hundegenmutationer] tilbage på menneskelige patienter med de samme sygdomme også vil vise dig mutationer i de samme gener, siger hun. Min forudsigelse er ja. Jeg tror, at hvis du kan finde stærke risikofaktorer hos mennesker ved at bruge hunde, ville det være en stor fordel.
Ud over gener
Da vi analyserede musens og menneskelige genomer, fandt vi ud af, at de er 5 procent funktionelle, siger Lindblad-Toh. Det vil sige, at 5 procent af hver skabnings genom er meget lig 5 procent af den andens, hvilket tyder på, at de relaterede sekvenser må tjene et eller andet formål. Hundens genom viste sig at have de samme 5 procent, som overlapper hos mennesker og mus, hvilket bekræfter, at det ikke kun er en tilfældighed. De fleste af de 5 procent er dog ikke gener.
Vores genom består af 46 kromosomer, som er adskilte, lange kæder af organiske forbindelser kendt som A, T, C og G – DNA-bogstaverne. Sekventering af genomet betyder at finde ud af hvilket bogstav eller base, der er på hvert punkt langs hver kæde. Gener er strækninger, hvor baserne staver en kode, der kan oversættes til proteiner; de udgør 1,5 procent af genomet. Men forbløffende 95 procent af vores genom er mutationstilbøjelige gobbledygook, den genetiske ækvivalent til de sætninger, du kan lave ved at banke hovedet på et tastatur i frustration.
Nu forsøger biologer at karakterisere de funktionelle dele af genomet, som ikke er gener - regioner, som de mener spiller en vigtig rolle i reguleringen af gener. De ønsker at identificere disse regioner og finde ud af, hvilke elementer de indeholder, hvordan regionerne er organiseret, og hvordan de fungerer.
Den bedste måde at finde de regulatoriske elementer midt i gobbledygook er at se på, hvad der er bevaret - hvad forbliver det samme - på tværs af flere arter. At sammenligne genomer er næsten som Rosetta-stenen, siger Lindblad-Toh. Med det samme budskab indhugget i det græske alfabet, hieroglyfer og demotisk skrift (en slags kursive hieroglyfer), gjorde Rosetta-stenen det muligt at tyde de to sidste skriftsystemer. I genomer har du tilsvarende en række bogstaver; alt, hvad der er vigtigt, forbliver det samme.
Det meste af genomet er blot dødt rum mellem gener, hvor sekvensen af baser ikke er vigtig for livets funktioner. Mutationer, der forekommer i sådanne strækninger, producerer lejlighedsvis funktionelle sekvenser, men de er normalt hverken nyttige eller skadelige. Det betyder, at de akkumuleres relativt hurtigt: uden indflydelse på et individs chancer for at reproducere, er de ikke underlagt naturlig udvælgelse, så de videregives meget hurtigere end ændringer i funktionelle områder, som ofte er skadelige.
Jo mere evolutionær tid der er mellem to pattedyr [arter], jo mere vil uvæsentlige ting ændre sig, siger Lindblad-Toh. Men en DNA-streng, hvis sekvens er bevaret uændret på tværs af arter, har sandsynligvis en vigtig funktion. Når forskerne har fundet disse sekvenser i områderne mellem gener, kan de teste dem individuelt for at bestemme deres funktioner.
Det er imidlertid vanskeligt at sammenligne det menneskelige genom med det for en fjernt beslægtet organisme som gær: For at udvide Rosetta-stenens metafor bærer de to tekster for mange forskellige budskaber. Sammenligning af genomer, der bærer mange af de samme budskaber, som menneskets og hundens, er mere produktivt. For virkelig at forstå det menneskelige genom, fokuserer vi på pattedyr, siger Lindblad-Toh. Brede videnskabsmænd, hvoraf nogle deltog i Human Genome Project, før instituttet blev grundlagt i 2003, har været involveret i sekventering af chimpansen, musen, hunden og hesten, blandt andre dyr. (se The Broads Menagerie, s. M17) . Arbejdet med marsvinet, elefanten, kaninen, den lille brune flagermus, bush baby og jordegern er også i gang på Broad.
Forskere drillede oprindeligt de funktionelle 5 procent af det menneskelige genom ved at sammenligne det med kun ét andet dyr, musen. Tilføjelse af hundegenomet skabte en kraftfuld triade. Nu fokuserer forskere på, hvad de funktionelle ikke-genelementer gør. Der vokser beviser for, at de regulerer genomet. Uden regulatoriske elementer ville et gen være som en ulæst bog, der samler støv i hjørnet af et biblioteksdepot: bare en inaktiv række af bogstaver.
At vide, hvad hvert gen gør, er meget vigtigt, men det er ikke nok. Nogle sygdomme skyldes helt klart, at ét protein ikke er der, siger Lindblad-Toh; enzymmangel er et eksempel. Men med almindelige sygdomme som kræft eller diabetes, kan det bare være en funktion af, hvor meget eller hvor lidt protein du laver, og om du laver det på det rigtige tidspunkt eller ej. Det forekommer sandsynligt, at disse faktorer er styret af regulatoriske elementer.
Min stærke overbevisning er, at mange almindelige sygdomme er forårsaget af regulatoriske mutationer, siger Lindblad-Toh. Tidlig Broad Institute-forskning om hundens genom ser ud til at understøtte hendes hypotese. Brede forskere leder efter mutationer forbundet med flere træk og sygdomme, herunder hvid pelsfarve, skjoldbruskkirtelproblemer, knoglekræft, hjerteproblemer og shar-pei-feber. For flere af disse er der foreløbige beviser for, at de ansvarlige mutationer ligger uden for gener - i regulatoriske elementer.
Nulstilling af, hvor disse elementer er i genomet, er meget nemmere end at finde ud af, hvad de gør og hvordan. En type regulator, kaldet en enhancer, starter processen, der gør det muligt for gener at videregive deres information. Enhancers kan være inden for, tæt på eller meget langt fra de gener, de regulerer. Forskere antager, at proteiner binder til en forstærker og til et område umiddelbart før et gen; de binder sig også til hinanden, trækker DNA'et rundt i en løkke og lader transskription af genet begynde. Men sådanne mekanismer er lige begyndt at blive forstået.
Hvad gør os til pattedyr
Sammenligning af hundens genom med musens og menneskelige genomer hjalp forskerne med at identificere et væld af regulatoriske elementer; yderligere analyse viste, at i alle tre pattedyr er halvdelen af disse elementer samlet omkring kun omkring 240 gener. Med andre ord ser det ud til, at hele 50 procent af vores mest bevarede grundstoffer ikke regulerer meget mere end 1 procent af vores gener.
Så hvad gør disse gener for at fortjene en sådan særlig behandling? Det viser sig, at de spiller afgørende roller under udviklingen. De styrer vores kropsplan, den biologiske ækvivalent til en plan. Ved at diktere konfigurationen af vores rygsøjler, strukturen af vores hjerne og positionen af vores modsatrettede tommelfingre, gør de os til hvirveldyr, pattedyr, primater.
Det er selvfølgelig kritisk vigtigt, at du producerer en fod, hvor din fod går og ikke på hovedet nogle gange ved et uheld, siger Lindblad-Toh. Det, vi tror, vi har fundet, er, at omkring disse omkring 200 gener sidder en stor del af disse regulatoriske elementer. De er dybest set master-regulatorerne af master-gener, der gør pattedyr til pattedyr. Nogle af disse klyngede regulatoriske elementer er så vigtige, at de er bedre bevaret mellem arter, end gener er.
En analyse af opossum-genomet udgivet af Broad i sidste maj understøtter yderligere Lindblad-Tohs hypotese om, at der er pattedyrs masterregulatorer. Opossums er på en anden gren af pattedyrets stamtræ: de er pungdyr, mens mennesker, hunde og mus er eutherians - pattedyr med moderkager. For hvert genom, vi tilføjer, fortsætter vi med at bygge på hypotesen om, at de funktionelle 5 procent fra menneske-, mus- og hundegenomer er pattedyr- og eutherian-specifikke, siger Lindblad-Toh. Ser vi på opossum og andre store grene på hvirveldyrtræet, ser vi, at der er innovation, der er tilføjet. Det vil sige, at opossums ikke deler hele de 5 procent, som placenta-pattedyr gør. En stor del af variationen i de regulatoriske elementer hos pungdyr er omkring kropsplangenerne. Disse variationer kan være, hvad der gør opossums pungdyr, og hvad der ikke varierer, kan være en vigtig del af, hvad der udgør pattedyr.
Lindblad-Toh siger, at det er for tidligt at spørge, hvad der gør en primat til en primat, eller hvad der gør mennesker til mennesker. Det forekommer dog sandsynligt, at udviklingen i neurale veje er reguleret af primatspecifikke gener. Hver rækkefølge, hver dyreart har sandsynligvis sine egne innovationer, styret af masterregulatorer i ikke-genområder i genomet.
Lige nu, siger Lindblad-Toh, forsøger hun og andre Broad-forskere bare at samle et grundlæggende katalog over disse masterregulatorer. Når flere arter er blevet sekventeret, vil det være muligt at begynde at besvare de større spørgsmål. Efterhånden som denne menageri af genomer fortsætter med at vokse, viser hunde - længe menneskets bedste venner i marken og på gården - sig også at være værdifulde ledsagere i laboratoriet.