Po pierwsze, zacznijmy od podstaw. Wszystkie żywe istoty mają genom.
Genomy są zbudowane z DNA. Każda z twoich komórek ma w sobie kopię genomu. Można o nim myśleć jak o instrukcji obsługi lub książce kucharskiej. Genom zawiera wszystkie instrukcje lub "przepisy", których Twoje ciało potrzebuje, aby działać i wyglądać tak, jak wygląda.
Ludzki genom jest zapisany w postaci serii 3 miliardów baz DNA czterech różnych typów. Każda baza może być reprezentowana przez jedną z czterech "liter" w "alfabecie" DNA. Większość Twojego DNA będzie wyglądać tak samo jak u każdej innej osoby. Jednak drobne różnice w pisowni lub sekwencji tych liter w tysiącach genów w twoim genomie wyjaśniają, częściowo, co czyni cię wyjątkowym.
Wirusy również mają genomy. Genom wirusa może być zbudowany z DNA lub podobnej cząsteczki zwanej RNA. W porównaniu z Twoim genomem, genom wirusa jest maleńki. Na przykład koronawirusy, takie jak ten, który powoduje COVID-19, mają genom RNA o długości około 30 000 liter (to 100 000 razy mniej niż genom człowieka). Genom wirusa grypy lub grypy jest jeszcze krótszy i wynosi około 13 500 liter RNA.
Nie wszystkie wirusy powodują choroby u ludzi. Ale genomy tych, które powodują, zawierają wszystkie instrukcje potrzebne do zainfekowania naszych komórek, stworzenia większej liczby kopii i rozprzestrzenienia się. Niewielkie różnice w tych instrukcjach mogą sprawić, że różne wirusy lub różne warianty lub szczepy tego samego wirusa wyglądają inaczej i działają w różny sposób. Naukowcy mogą się wiele dowiedzieć o wirusie badając jego genom.
Co to jest sekwencjonowanie genomu wirusa lub sekwencjonowanie genomu wirusa?
Sekwencja genomu wirusa to sekwencja lub kolejność zasad lub liter, które składają się na materiał genetyczny wirusa, czyli jego genom. Jeśli miałbyś zapisać
sekwencję genomu konkretnego koronawirusa, byłaby to seria około 30 000 liter. Kluczem jest uzyskanie ich w takiej kolejności, w jakiej można je znaleźć w danym wirusie.
W przypadku RNA naukowcy używają liter A, C, G i U, które oznaczają każdą z czterech zasad RNA: adeninę, cytozynę, guaninę i uracyl. Tak samo jest w przypadku DNA, z tym że zamiast uracylu jest T jak tymina. Proces, którego naukowcy używają, aby ustalić właściwą kolejność liter w pewnej próbce wirusa, nazywa się sekwencjonowaniem genomu.
Co mówi nam sekwencjonowanie genomu wirusa?
Wirusy i genomy wirusów zmieniają się cały czas. Powodem jest to, że komórki czasami popełniają błędy.
Kiedy genom wirusowy jest kopiowany wewnątrz zainfekowanej komórki, czasami zdarza się, że dochodzi do "literówki". Przez większość czasu te błędy ortograficzne nie robią wielkiej różnicy. Ale czasami mogą one zmienić wygląd lub działanie wirusa w sposób, który okazuje się istotny. Nikt nie wie, skąd dokładnie wziął się wirus powodujący COVID-19. Ale prawdopodobnie powstał z koronawirusa u innego zwierzęcia, np. nietoperza, który przez pomyłkę zmienił się w sposób umożliwiający mu zarażanie ludzi.
Dzięki sekwencjonowaniu genomu naukowcy odkryli ten nowy ludzki koronawirus wkrótce po tym, jak pojawił się u ludzi. Na początku wiedzieli tylko tyle, że ludzie w Chinach nagle zaczęli chorować z objawami oddechowymi. Naukowcy przeprowadzili więc sekwencjonowanie genomu próbki wirusa pobranej od osoby pracującej na targu, z którego przypuszczano, że wirus mógł pochodzić. Porównując sekwencję RNA z innymi sekwencjami genomu wirusów, które mieli z wcześniejszych badań, mogli od razu stwierdzić, że był to koronawirus, którego wcześniej nie widzieli u ludzi.
Mimo że był to nowy wirus, ludzie od razu wiedzieli o nim wiele na podstawie jego genomu. To dlatego, że naukowcy badali pokrewne koronawirusy, które spowodowały wcześniejsze epidemie u ludzi. Z tych badań wiedzieli o niektórych ważnych częściach genomu koronawirusa, w tym o genie, który koduje to, co naukowcy nazywają białkiem spike.
Wiedzieli, że kolce będą ważne dla wirusa, aby zainfekować nasze komórki. Wiedzieli również, że może być użytecznym celem dla szczepionek lub innych metod leczenia. Wiedzieli to wszystko wkrótce po odkryciu koronawirusa, ponieważ mogli sekwencjonować jego genom i porównać go z genomami innych wirusów.
Tak więc sekwencjonowanie genomu może ujawnić wiele użytecznych rzeczy.
Może zidentyfikować nowego wirusa lub powiedzieć, jaki rodzaj wirusa wywołuje u kogoś chorobę. Może dostarczyć naukowcom pomysłów na to, jak wirus może wywoływać choroby na podstawie jego genów i kodowanych przez nie białek oraz sposobów na powstrzymanie go. Kiedy wirus rozprzestrzenia się z osoby na osobę na całym świecie, naukowcy mogą wykorzystać sekwencje genomu, aby śledzić jego przemieszczanie się i wszelkie zmiany, jakie w nim zachodzą.
Jaki jest cel sekwencjonowania genomu wirusa COVID-19 i grypy?
Naukowcy śledzą wirusy grypy od dziesięcioleci. Używają ich do porównywania wirusów występujących obecnie z tymi, które występowały w przeszłości. Na podstawie sekwencji genomu szukają istotnych różnic w sposobie zapisu niektórych genów. Niektóre zmiany nie mają większego znaczenia. Ale inne wpływają na to, jak łatwo wirus rozprzestrzenia się z jednej osoby na drugą lub jak bardzo ludzie chorują.
Każdego roku naukowcy wykorzystują sekwencje genomu grypy, aby pomóc im w podjęciu decyzji, co należy uwzględnić w szczepionkach przeciw grypie. Ponieważ wirusy te istnieją tak długo i ciągle się zmieniają, można znaleźć nieco inne wersje nawet w próbkach pochodzących od jednej osoby chorej na grypę. W normalnym roku naukowcy sekwencjonują tysiące wirusów grypy, aby zapewnić sobie informacje i pomóc w podejmowaniu decyzji dotyczących zdrowia publicznego.
W pandemii COVID-19 sekwencjonowanie genomu było bardzo ważne. Sekwencje genomów pomagają naukowcom śledzić sposób, w jaki koronawirus się rozprzestrzenia i jak się zmienia. Mogą oni również badać sekwencje genomów, aby dowiedzieć się, które zmiany są warte uwagi, a które prawdopodobnie nie.
Na przykład w jednym z badań w Bostonie wykorzystano około 800 genomów wirusów, aby sprawdzić, jak koronawirus rozprzestrzeniał się tam na początku. Na podstawie drobnych zmian w genomach można było stwierdzić, że koronawirus docierał do Bostonu dziesiątki razy, pochodząc z Europy i części Stanów Zjednoczonych. Naukowcy mogli również stwierdzić, że jedna konferencja doprowadziła do tysięcy infekcji w Bostonie i innych miejscach na świecie.
Naukowcy kontynuują sekwencjonowanie koronawirusa, który powoduje COVID-19, aby zrozumieć, jak się porusza i wychwycić nowe warianty, gdy tylko się pojawią. Proces ten nazywany jest nadzorem genomowym.
Nadzór genomowy polega na sekwencjonowaniu wielu próbek. Odkrywa on nowe warianty, czyli genomy wirusów, które mają jedną lub więcej mutacji.
Niektóre z pojawiających się wariantów po prostu znikają lub nie robią żadnej różnicy. Kiedy zmiany w genomie wyglądają tak, że mogą być niepokojące, naukowcy klasyfikują je jako "warianty zainteresowania" lub "warianty niepokojące". Prawdopodobnie znasz warianty koronawirusów takie jak Delta czy Omicron.
Jednym z powodów, dla których naukowcy byli zaniepokojeni Omicronem jest to, że wariant ten ma około 50 literówek lub mutacji w swoim genomie. Wiele z tych mutacji znajduje się również w białku spike, które jest częścią wirusa, którą szczepionki i nasze systemy odpornościowe wykorzystują do jego atakowania.
Z powodu tych zmian Omicron rozprzestrzenia się szybciej niż oryginalny koronawirus, który powoduje COVID-19. Naukowcy spodziewają się, że wciąż będą pojawiać się nowe warianty. Kontynuując sekwencjonowanie genomu i nadzór, mogą próbować wyprzedzać wirusa. Naukowcy mogą wykorzystać sekwencjonowanie genomu do identyfikacji i śledzenia każdego interesującego ich wirusa.
Jak przeprowadza się sekwencjonowanie genomu wirusa?
Sekwencjonowanie genomów jest obecnie o wiele łatwiejsze i tańsze niż kiedyś. Genomy wirusów są również łatwiejsze do sekwencjonowania niż genom ludzki ze względu na ich mały rozmiar. Oto podstawowe etapy:
Ekstrakcja
. Naukowcy ekstrahują RNA lub DNA z próbki, w której znajduje się wirus.
Przygotowanie próbki
. Naukowcy przygotowują próbkę. Na przykład mogą być zmuszeni do pocięcia RNA lub DNA na mniejsze kawałki lub dodania pewnych fragmentów do końców. Konkretne kroki zależą od tego, jakiego typu maszyny używają naukowcy.
Sekwencjonowanie
. Naukowcy wkładają próbkę do maszyny sekwencjonującej. Maszyna odczytuje sygnały, które mówią im o kolejności zasad lub liter w DNA lub RNA.
Analiza
. Maszyny skończą z mnóstwem ciągów liter, które pojedynczo nie pokrywają całego genomu. Za pomocą komputerów złożą je w kompletną sekwencję genomu i zidentyfikują wszelkie różnice w nowej sekwencji w porównaniu z innymi.
