17.4 Hagnýting erfðamengjafræði

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Útskýrt lyfjaerfðamengjafræði
• Skilgreint fjölgena erfðaeiginleika

Innleiðing DNA-raðgreiningar og verkefna um raðgreiningu heilla erfðamengja, einkum Mannamengisverkefnisins (Human Genome Project), hefur aukið notagildi upplýsinga um DNA-raðir. Mörg svið, svo sem meta-erfðamengjafræði, lyfjaerfðamengjafræði og hvatberaerfðamengjafræði, nýta erfðamengjafræði. Algengasta hagnýting erfðamengjafræði er að skilja sjúkdóma og leita lækninga við þeim.

Spáð fyrir um sjúkdómsáhættu á einstaklingsgrunni

Að spá fyrir um sjúkdómsáhættu felur í sér skimun á einstaklingum sem eru heilbrigðir um þessar mundir með greiningu á erfðamengi hvers og eins. Heilbrigðisstarfsfólk getur mælt með íhlutun, svo sem lífsstílsbreytingum eða lyfjum, áður en sjúkdómur kemur fram. Þessi nálgun á þó best við þegar vandamálið liggur í galla í einu geni. Slíkir gallar skýra aðeins um það bil 5 prósent sjúkdóma í þróuðum löndum. Flestir algengir sjúkdómar, svo sem hjartasjúkdómar, eru fjölþættir eða fjölgena, það er svipgerðareiginleikar sem fela í sér tvö eða fleiri gen og einnig umhverfisþætti á borð við mataræði. Í apríl 2010 birtu vísindamenn við Stanford-háskóla greiningu á erfðamengi heilbrigðs einstaklings, Stephens Quake, vísindamanns við Stanford-háskóla sem hafði látið raðgreina erfðamengi sitt. Greiningin spáði fyrir um tilhneigingu hans til að fá ýmsa sjúkdóma. Læknateymið framkvæmdi áhættumat til að meta prósentulíkur Quakes á 55 mismunandi sjúkdómum. Teymið fann sjaldgæfa erfðastökkbreytingu sem sýndi að hann var í hættu á að fá skyndilegt hjartaáfall. Niðurstöðurnar spáðu einnig fyrir um að Quake væri í 23 prósenta hættu á að fá blöðruhálskirtilskrabbamein og 1,4 prósenta hættu á að fá Alzheimer-sjúkdóm. Vísindamennirnir notuðu gagnagrunna og nokkrar vísindagreinar til að greina erfðamengjagögnin. Þótt raðgreining erfðamengja sé að verða ódýrari og greiningartæki áreiðanlegri þurfa rannsakendur enn að takast á við siðferðileg álitamál sem varða greiningu erfðamengja á þýðisgrunni.

Sjónræn tenging

Árið 2011 mælti bandaríski forvarnarþjónustuhópurinn (United States Preventive Services Task Force) gegn því að nota PSA-prófið til að skima heilbrigða einstaklinga fyrir blöðruhálskirtilskrabbameini. Ráðleggingin byggðist á vísbendingum um að skimun drægi ekki úr hættu á dauða af völdum blöðruhálskirtilskrabbameins. Blöðruhálskirtilskrabbamein þróast oft mjög hægt og veldur ekki vandamálum, en krabbameinsmeðferð getur haft alvarlegar aukaverkanir. PCA3-prófið er nákvæmara, en skimun getur samt leitt til þess að fólk sem hefði ekki orðið fyrir skaða af krabbameininu sjálfu þjáist af aukaverkunum meðferðar. Hvað finnst þér? Ætti heilbrigt fólk að fara í skimun fyrir blöðruhálskirtilskrabbameini með PCA3- eða PSA-prófinu? Ætti fólk almennt að fara í skimun til að komast að því hvort það hafi erfðafræðilega áhættu á krabbameini eða öðrum sjúkdómum?

Það eru engin rétt eða röng svör við þessum spurningum. Þótt meðferð við blöðruhálskirtilskrabbameini geti verið skaðleg vilja margir karlmenn frekar vita að þeir séu með krabbamein, svo þeir geti fylgst með sjúkdómnum og hafið meðferð ef hann ágerist. Þótt erfðaskimun geti verið gagnleg er hún dýr og getur valdið óþarfa áhyggjum. Fólk með ákveðna áhættuþætti fær hugsanlega aldrei sjúkdóminn og fyrirbyggjandi meðferðir geta gert meira ógagn en gagn.

Lyfjaerfðamengjafræði og eiturefnaerfðamengjafræði

Lyfjaerfðamengjafræði, eða eiturefnaerfðamengjafræði, felur í sér mat á virkni og öryggi lyfja á grundvelli upplýsinga úr erfðamengjaröð einstaklings. Við getum rannsakað viðbrögð erfðamengis við lyfjum með tilraunadýrum, svo sem rannsóknarstofurottum eða músum, eða lifandi frumum á rannsóknarstofu áður en rannsóknir á mönnum hefjast. Rannsóknir á breytingum á tjáningu gena geta veitt upplýsingar um umritunarsnið í viðurvist lyfsins, sem má nota sem snemmbæra vísbendingu um möguleg eituráhrif. Til dæmis gæti truflun á genum sem taka þátt í frumuvexti og stýrðum frumudauða leitt til vaxtar krabbameinsfrumna. Rannsóknir á öllu erfðamenginu geta einnig hjálpað til við að finna ný gen sem tengjast eituráhrifum lyfja. Heilbrigðisstarfsfólk getur notað einstaklingsbundnar upplýsingar um erfðamengjaröð til að ávísa lyfjum sem ættu að verða áhrifaríkust og minnst eitruð miðað við arfgerð einstaklingsins. Genasvipmót eru hugsanlega ekki fullkomlega nákvæm, en heilbrigðisstarfsfólk getur prófað þau frekar áður en sjúkdómseinkenni koma fram.

Erfðamengjafræði örvera: Meta-erfðamengjafræði

Hefðbundið hefur örverufræði verið kennd út frá þeirri hugmynd að best sé að rannsaka örverur við hreinræktaraðstæður. Það felur í sér að einangra eina frumugerð og rækta hana á rannsóknarstofu. Vegna þess að örverur geta farið í gegnum nokkrar kynslóðir á fáeinum klukkustundum aðlagast genatjáningarsnið þeirra nýja rannsóknarstofuumhverfinu mjög hratt. Auk þess þolir mikill meirihluti bakteríutegunda ekki ræktun í einangrun. Flestar örverur lifa ekki einangraðar, heldur í örverusamfélögum eða lífhimnum. Af öllum þessum ástæðum er hreinrækt ekki alltaf besta leiðin til að rannsaka örverur. Meta-erfðamengjafræði er rannsókn á sameiginlegum erfðamengjum margra tegunda sem vaxa og hafa samskipti í umhverfissess. Meta-erfðamengjafræði má nota til að bera kennsl á nýjar tegundir hraðar og til að greina áhrif mengunarefna á umhverfið (Mynd 17.16).

Erfðamengjafræði örvera: Sköpun nýs lífeldsneytis

Þekking á erfðamengjafræði örvera er notuð til að finna betri leiðir til að beisla lífeldsneyti úr þörungum og blágrænbakteríum. Helstu orkugjafar í dag eru kol, olía, viður og aðrar plöntuafurðir, svo sem etanól. Þótt plöntur séu endurnýjanlegar auðlindir er enn þörf á fleiri óhefðbundnum endurnýjanlegum orkugjöfum til að mæta orkuþörf fólksfjöldans. Örveruheimurinn er ein stærsta uppspretta gena sem kóða fyrir ný ensím og framleiða ný lífræn efnasambönd, og hann er enn að mestu ónýttur. Örverur eru notaðar til að búa til vörur, svo sem ensím til rannsókna, sýklalyf og önnur örverueyðandi efni. Erfðamengjafræði örvera hjálpar til við að þróa greiningartæki, bætt bóluefni, nýjar sjúkdómsmeðferðir og háþróaða tækni við umhverfishreinsun.

Hvatberaerfðamengjafræði

Hvatberar eru frumulíffæri innan frumna sem innihalda sitt eigið DNA. Hvatbera-DNA stökkbreytist hratt og vísindamenn nota það oft til að rannsaka þróunartengsl. Annað sem gerir rannsóknir á erfðamengi hvatbera áhugaverðar er að hvatbera-DNA í flestum fjölfruma lífverum berst frá móður við frjóvgun. Af þessum sökum nota vísindamenn oft hvatberaerfðamengjafræði til að rekja ættir.

Sérfræðingar hafa notað upplýsingar og vísbendingar úr DNA-sýnum af vettvangi glæpa sem sönnunargögn í dómsmálum, og þeir hafa notað erfðamörk í réttarvísindalegri greiningu. Greining erfðamengja hefur einnig orðið gagnleg á þessu sviði. Fyrsta greinin sem sýndi notkun erfðamengjafræði í réttarvísindum kom út árið 2001. Hún lýsti samstarfi fræðilegra rannsóknastofnana og FBI við að leysa dularfull mál vegna miltisbrands sem sendur var með bandarísku póstþjónustunni. Með erfðamengjafræði örvera komust rannsakendur að því að sökudólgurinn notaði tiltekinn stofn miltisbrands í öllum sendingunum.

Erfðamengjafræði í landbúnaði

Erfðamengjafræði getur að vissu marki dregið úr tilraunum og mistökum í vísindarannsóknum, sem gæti bætt bæði gæði og magn uppskeru í landbúnaði. Að tengja eiginleika við gen eða genasvipmót hjálpar til við kynbætur nytjaplantna og við að búa til blendinga með eftirsóknarverðum eiginleikum. Vísindamenn nota erfðamengjagögn til að bera kennsl á eftirsóknarverða eiginleika og flytja þá síðan yfir í aðra lífveru. Rannsakendur eru að uppgötva hvernig erfðamengjafræði getur bætt gæði og magn landbúnaðarframleiðslu. Til dæmis gætu vísindamenn notað eftirsóknarverða eiginleika til að búa til gagnlega vöru eða bæta núverandi vöru, svo sem með því að gera þurrkviðkvæma nytjaplöntu þolnari gagnvart þurrkatíð.