ГЕНОМИКС

АУ-ны доктор Ж.Жамбалдорж

4.1. Геномикс

            Организмын бүрэлдэх, эд эрхтэн үүсэх, эсүүдийн харилцан үйлчлэх, цаашилбал тухайн организмын оршин тогтнох, орчин нөхцөлд дасан зохицож амьдрах, өвчлөх, үхэх бүх үйл явц удмын материал буюу генээр зохицуулагддаг. Хэдийгээр эс бүр өөрийн өвөрмөц онцлогтой ч тухайн организмын генүүд ижил байдаг. Иймд удмын материалын өвөрмөц онцлогийг нэг удаа тогтоох нь цаашид өвчин эмгэгээс урьдчилан сэргийлэх, эмчилгээний төлөвлөгөө боловсруулах боломжийг бий болгодог.

            Геномиксын судалгаанд олон аргын тусламжтай ДНХ-ийн дараалал, генийн онцлогийг судалснаар өвчин эмгэгийн шалтгаан, тавилан, эмнэлзүйг таамаглах боломжтой болдог. Хэрэв орчин үеийн анагаах ухаанд эпигенетик, геномикс, транскриптомикс, протеомикс, метаболомиксын судалгааны аргуудыг цогц байдлаар ашиглаж чадвал илүү үр дүнтэй урьдчилан сэргийлэлт, эмчилгээ оношилгооны дэвшил бий болно.

4.2. Хөгжлийн товч түүх

Амьд организмын ДНХ-ийн бүтцийг 1953 онд Жэймс Уатсон, Франсис Крик нарын эрдэмтэд тогтоосноос 50 жилийн дараа удамшлын өвөрмөц байдлыг бүрдүүлэгч А, C, G, T нуклеотидуудын дарааллыг геномд тодорхойлсон нь Хүний Геном Төслийн (HGP – Human Genome Project) ач холбогдол оршиж байдаг. Тухайн үеийн дэвшилтэт арга болох Сангерын капилляр секвенс нь хэдэн зуун сая долларын өртөгтэйгөөр 3.2 тэрбум нуклеотидын дарааллыг 13 жилд тодорхойлж чадсан. Гэтэл хүний геномын төслийн үр дүнд олж авсан мэдээлэл амьд организмын нарийн нийлмэл бүтэц, үйл ажиллагааг бүрэн гүйцэд тайлбарлах боломжгүй, баримжаа төдий байсан нь эрдэмтдийг илүү дэвшилтэт арга боловсруулах, илүү богино хугацаанд олон дээжинд дараалал тогтоох, генүүдийн харилцан үйлчлэлийг нээх, түүнд харгалзах макро микро молекулуудын бүтэц бүрэлдэхүүнийг тодорхойлох хүсэл эрмэлзлийг төрүүлжээ. Түүнээс хойшхи 20 жил геномиксд нэвтэрсэн техник технологийн дэвшилтэт аргууд (жишээ нь, ДНХ чип технологи) бүхэл геномын ДНХ-ийн дараалал тогтоох аргын (WGS – whole genome sequencing) өртөгийг л 1000 доллар хүргэж буулгаж чадсан билээ. 1995 онд хоёр өөр төрлийн организмын геномын харьцуулалт анх хийгдсэн.

Геномиксын хөгжилд чухал хувь нэмэр оруулсаар байгаа арга бол ДНХ-ийн генетик маркерын судалгааны арга билээ. Хүний геномын төслийн явцад макро, микрорестрикцын карт, олон төрлийн давталтын, микро, мини сателлит дарааллын хувилбарууд, У хромосом, митохондрийн ДНХ-ийн хувилбар, HLA ангийн молекулын хувьсамжаар төрөл зүйл, дэд популяцийн маркерууд үүсч хөгжин хэдийгээр нарийвчлал муу байсан ч геномыг эмнэлзүй, зүс төрх, хэв шинжид харгалзуулан судалж иржээ. 2000 оны үеэс нэг нуклеотидын полиморф хэлбэршлийн маркер (SNP – Single nucleotide polymorphism) тогтоох арга автоматчлагдан микроаррэйд тулгуурлан хөгжсөнөөр бүхэл геном даяар 1000 хн тутамд 1 байхаар хэмжээтэй маркерууд судлах боломж бий болсон. Өөрөөр хэлбэл, хүний геном даяар 3.2 сая ННП маркераар илүү өндөр нарийвчлалтай судалж байна.

Хүний геномын төсөл анхны ноорог байдлаар 2001 онд гарсан бол 2003 онд эцсийн хувилбараар батлах үед 3.2 тэрбум нуклеотид дээр 25000 орчим генийг тодорхойлсны 80% нь уураг кодлогч генүүд байсан. Түүнээс хойш бий болсон олон технологийн ачаар 2018 онд энэ үзүүлэлт олон тооны зохицуулагч жижиг РНХ-ээр баяжиж 46000 гаруйд хүрсэн байна. Эдгээр генийн идэвхжил нь эсийн төрөл, гүйцэтгэх үүрэгтэй холбоотой харилцан адилгүй байдаг. Энэ бүх ололт амжилт ирээдүйн анагаах ухаанд илүү их үр дүнг амлаж байна.

4.3. Геномиксын судалгааны үндсэн аргууд

            Геномын бүрдлийг судлах зорилгоор тухайн организмын геном даяар тархан байрласан хувьсамтгай шинж бүхий үзүүлэлтүүдийг тодорхойлж ирсэн. Эдгээр үзүүлэлтиийг маркер гэх бөгөөд хувь хүн бүрт, эсвэл тухайн популяцид харьцангуй өвөрмөц онцлогтой хувьсан өөрчлөгдөж байдаг. Анхны хэрэглэж ирсэн цитогенетикийн, хроматины будалтын маркераас эхлээд HLA хэлбэр, рестрикцын маркер, давталтын элементийн тоон хэлбэлзэл, генийн хуулбарын тоон өөрчлөлтөөр үргэлжлэн орчин үед нэг нуклеотидын полиморф хэлбэршил, геном даяархи нуклеотидын дараалал хүртэл нарийвчлагдан судлагдаж байна.

ННП тодорхойлох. Нэг нуклеотидын полиморфизм (SNP – single nucleotide polymorphism) гэдэг нь геном даяар 1000 орчим нуклеотид тутамд 1 ширхэг байрлан хүн бүрт харилцан адилгүй илрэх үзүүлэлт юм. Нэг нуклеотидын полиморф хэлбэршлийг молекул биологид аллель өвөрмөц полимеразын гинжин урвал, огтлогдсон хэрчмийн уртын полиморфизм, бхПГУ, өндөр нарийвчлалтын хайлалтын муруй ашиглах (HRM – high resolution melting), микроаррэй, гибриджүүлэг зэрэг олон аргуудаар тогтоож болдог. Технологийн өндөр түвшний хөгжүүлэлт явагдсаны ачаар нэг сорьцонд хэдэн сая ННП хэлбэршлийг богино хугацаанд бага зардлаар тогтоох боломж бий болсон. Тухайлбал, АНУ-ын Illumina компаний микроаррэй ашигласан систем нь нэг гадаргууд 4 хүний тус бүр 4.5 сая ННП тогтоох боломжтой байгаа нь өнөөдөр хамгийн өндөр үзүүлэлт билээ.

ДНХ-ийн дараалал тогтоох. Хүний удамшлын молекул үндэс аденин, тимин, гуанин, цитозин хэмээх азотлог сууриудын дэс дарааллаас хамааран организм бүрд өөр өөр байдаг. 1977 онд боловсруулсан Сангерын аргын тусламжтай уртасч буй ДНХ-ийн молекулд өвөрмөц ддНТФ холбон гинж төгсгөх арга ашиглан нэг нуклеотидын зөрүүтэй олон тооны хэрчмүүд үүсгэн бүтээгдэхүүнийг полиакриламидын гель дундуур гүйлгэн дэс дарааг тогтоох арга нээгдсэн 2000 оны дунд үеэс ДНХ чип технологид тулгуурлан 2-р үеийн ДНХ-ийн дараалал тогтоох аргууд (NGS - Next Generation Sequencing) боловсронгуй болж судалгаа шинжилгээнд өргөн хэрэглэгдэх болсон. Түүний давуу тал нь нэг удаагийн уншилтаар олон сая молекулын дарааллын богино хугацаанд тогтоож чаддагт оршино. Өнөөдөр бүхэл геномын дарааллыг 1000$, экзомын дарааллыг 200USD-д багтаан судлах боломжтой болж эмнэлзүйд олон талаар ашиглагдаж эхэллээ. 2010 оны үеэс 3-р үеийн арга бий болж судалгааны түвшинд явагдаж байна.

Нэг эсийн ДНХ-ийн дараалал тогтоох (Single cell sequencing). Тухайн эсэд болж буй генийн метилжилт, хуулбарын тоон өөрчлөлт, транскрипт, уургийн молекул агшин бүрд хэлбэлзэн байх бөгөөд бүх эсэд тохиолдох геномын дараалал тогтоох аргаар тодорхойлох боломжгүй зүйлсийг нэг эсэд судалдаг арга. Геномиксын үүднээс тухайн эсийн удмын материал, метилжилтыг илүүтэй судалдаг. Нэг эсийн бөөмд 1 пиколитр эзэлхүүнтэй бөгөөд түүнд 7 пикограмм ДНХ, 20 пикограмм РНХ, 10⁹ уураг, 10¹⁰ ширхэг липидыг молекул багтааж байдаг. Эсийг өөр эсүүдээс салган түүний доторхи агуулагдахүууныг гэмтээлгүй геномыг судлах нь ур чадвар шаардсан ажил билээ.

4.4. Геномиксын салбар шинжлэх ухаан

Бүтцийн геномикс. Тухайн геномд кодлогдсон жжргийн 3 хэмжээст бүтцийг тайлбарлах зорилгоор судалдаг салбар. Үүний тулд туршилтын болон загварчлалын аргыг хослуулан хэрэглэж зөвхөн нэг уураг бус геномоос нийлэгжиж буй бүх уурагт чиглэн судалдаг. Уургийн бүтцийг геномын мэдээлэлд үндэслэн загварчлалаар тогтоохын тулд уургийн амин хүчлийн дарааллын 3 хэмжээст бүтцийг хими физикийн харилцан үйлчлэл, уургийн дарааллаар таамаглах, бусад мэдэгдэж буй уургийн дараалалтай харьцуулах 2 үндсэн замаар гүйцэтгэнэ.

Үйл ажиллагааны геномикс. Геномын дараалал тогтоох, мРНХ-ийн тоон хэмжээсийг тодорхойлж генийн экспрессийн ихсэлт багасалтыг хэмжих судалгааны үр дүнд их хэмжээний мэдээлэл цугларсан байгаа бөгөөд үүнийг тухайн генийн үйл ажиллагаа, харилцан үйлчлэлд зориулан судладаг салбар шинжлэх ухааныг ийнхүү нэрлэнэ. Бүтцийн геномиксоос ялгаатай нь хөдлөлзүйн үзүүлэлтийг тогтвортой ДНХ-ийн дараалалтай харьцуулдагаараа ялгаатай. Жишээ нь, транскрипц, трансляци, генийн зохицуулга, уураг уургийн харилцан үйлчлэлийг ДНХ-ийн дараалал, бүтэцтэй холбон судалж генийн түвшин, транскрипт, уургийн бүтээгдэхүүнд хариулт өгдөг. Орчин үед эдгээр мэдээллийг боловсруулах зорилгоор өндөр чадавхит суперкомпьютер, хиймэл оюун ухааны тусламжтай мэдээллийг бүлэглэх, багцлах, задлан шинжилгээг гүйцэтгэдэг.

Харьцуулсан геномикс. Нэг төрөл зүйл эсвэл өөр өөр төрөл зүйлийн организмын ДНХ-ийн дараалал, генийн байрлал, зохицуулгын дараалал, геномын бусад үзүүлэлтийг хэсэгчлэн эсвэл бүхлээр нь харьцуулж судалдаг салбар. Харьцуулалт ихэнхдээ 2 организмын хооронд ортолог дараалал буюу эволюцийн шатанд аль алинд нь хадгалагдаж үлдсэн дарааллуудыг хайж олж фенотиптэй уялдуулан судалдаг. Анх Haemophilus influenzae, Mycoplasma genitalium 2-г харьцуулж эхэлснээс хойш организмын геномын дараалал бүрийг тогтоосны дараа хийгдэх стандарт судалгаа болсон. Жишээ нь, хүн, шимпанзе сармагчны геномын бүтэц 96% адил. Судалгааны гол арга нь мэдээллийн сангуудад тулгуурлан харьцуулалтын олон янзын хэрэглүүр ашиглан үр дүн гаргана.

Фармакогеномикс. Ген, уургийн бүтцийн олон хэлбэршил нь эмийн бодисын хувирал, задрал, ялгаралд хэрхэн нөлөөлж буйг судлан тогтоодог геномиксын салбар. Үр дүнд нь хувь хүнд чиглэсэн эмийн тун хэмжээ, уух заавар, нийцэмж зэргийг төрөх үеэс нь тодорхойлох боломж бий болдог. Энэ тухай дэлгэрэнгүй 8-р бүлэгт өгүүлсэн.

Эпигеномикс. Эсийн эпигеном буюу удамшлын материалын эпигенетикийн хувирлыг (ДНХ-ийн метилжилт, гистоны модификаци) бүхэлд нь судалдаг салбар. Эпигенетикийн хувирал нь геномыг өөрчлөхгүйгээр явагддаг ч эсийн бүтэц, үйл ажиллагаанд чухал нөлөөтэй байдаг.

Тогтолцооны биологи (System biolgoy). Энэ нь геномиксын салбар шинжлэх ухаан биш хэдий ч өнөөгийн түвшинд хийж буй ажил нь их хэмжээний мэдээлэл бүхий геномиксын үр дүнг ашиглан биологийн тогтолцоонд амьд организмын гадаад дотоод харилцан үйлчлэлд анхаарал хандуулж судалдаг биологийн салбар шинжлэх ухаан. Анх хүний геномын төсөлд үндэслэн амьд организмын тооцооллын болон математик загварчлалд суурилсан судалгааны гол аргачлал. Эсийн дотоод дахь удамшлын материалаас гадна эсийн бүрэлдэхүүн, уураг, жижиг молекул, харилцан үйлчлэл буюу бодисын солилцооны бүх урвал, эсийн гадаад дотоод дохио дамжилтын бүх механизмыг хамруулан судалдаг.

4.5. Геномиксын эмнэлзүйн хэрэглээ

Геномикс оношилгоонд хэрэглэгдэх нь. Судалгааны үр дүнд үндэслэн бий болгосон эмийн стандарт тун нь ихэнх хүмүүст тохирох боловч зарим өвчтөнд үр дүнгүй эсвэл хэт их нөлөө үзүүлж болзошгүй. Нөлөөлөх гол хүчин зүйлийн нэг нь удмын хүчин зүйлс, генийн нөлөөлөл байдаг. Энэ тухай Фармакогеномикс ба фармацевтик бүлэгт илүү дэлгэрэнгүй тайлбарласан болно.

Геномикс хавдрын оношилгооны хэрэгсэл болох нь. Өнөөдөр хавдрын багажийн шинжилгээний оношилгоонд геномикс нилээд хурдацтай орж ирж байна. Ялангуяа олон шинэ биомаркерууд нээгдэж байна. Хавдрын эрт оношилгоонд миРНХ-ийн судалгаа, метилжсэн ДНХ-ийн хэсгүүдийг тодорхойлох аргууд нь бүгд геномиксын бүрдэл хэсэг билээ. Уушгины хавдар, түрүү булчирхайн хавдар миРНХ-ийн цомог, метилжилт илрүүлэх цомог гэх мэтээр зарим хавдруудын үед ашиглах оношилгооны цомог олноор үйлдвэрлэгдэн гарч байна. Хэдийгээр мэдрэг өвөрмөц чанар зарим тохиолдолд тодорхойгүй байгаа ч ирээдүйн арван жилд өдөр тутам хийгдэх шинжилгээний нэг болох нь гарцаагүй.

Үргүйдлийн эмчилгээнд хэрэглэгдэх скрининг оношилгоо ба хүйс сонголт. Хуруу шилэнд үр хөврөл бүрэлдүүлж суулгах ажилбарын үед (IVF – in vitro fertilization) умайд суулгахаас өмнө хөврөлийн хүйсийг тогтоох (PGS – Preimplantation Gender Selection), хөврөлд генийн мутаци, хромосомын гажигийг тогтоох (PDS – Preimplantation Diagnostic Screening) аргууд геномиксын маркер ННП, ДНХ-ийн дараалал тогтоох аргуудын тусламжтай бодит байдал болсон билээ. Үр хөврөл бэхлэгдэхээс өмнө хүүхдийн хүйсийг тодорхойлох энэ аргыг зарим оронд нилээд өргөн хэрэглэдэг бөгөөд 100000 бластоцистээс PGS хийж судласан эмнэлгүүд ч байна. Энэ аргын дүнд үр тогтсон морул, бластоцитын трофобласт давхараас 3-5 эс соруулж түүнээс ДНХ ялган ПГУ-аар олшруулж бүтээгдэхүүнд нь микроаррэй арга бүхий NGS ашиглан бүхэл геном даяар ДНХ-ийн дарааллыг судалдаг.

4.6. Геномиксын тулгамдсан асуудал ба ирээдүйн чиг хандлага

Хүний геном төслийн үр дүнд генийн дарааллыг бүрэн тогтоосон гэдэг ч эмнэлзүй, практик, бусад судалгаа шинжилгээнд хэрэглэхээр хангалттай хэмжээнд хүртэл судлагдаагүй. Учир нь хүний геномын дараалалд ердөө 2% орчим нь уураг, РНХ-ийн хэсэг байгаа. Үлдэж буй 98% нь генийн үйл ажиллагааны зохицуулгын хэсгүүд байдаг бөгөөд эсийн үйл ажиллагаа, организмын бүтэц бүрэлдэхүүнийг хэрхэн эс бүрийн түвшинд зохион байгуулж буй нууцыг танин мэдэж чадаагүй.

Өнөөгийн түвшинд судалгааны үр дүнгийн баталгаажилт гүйцэд бус, хуурамч эерэг, хуурамч сөрөг үр дүн гарах өндөр магадлалтай байдаг тул генийн бүтэц бүрэлдэхүүн, зохицуулгын хэсгүүдийг бүрэн тодорхойлохын тулд аль болох хүнийг маркер, ДНХ-ийн дараалал судлах шинжилгээнд хамруулах шаардлагатай. Дэлхий даяар геномиксаар ажилладаг байгууллага бүр тодорхойлж гаргасан үр дүн бүрийг баталгаатай болгохоор хамгийн сайн алгоритм, статистикийн программ хангамж зохион бүтээхээр ажиллаж байгаа хэдий ч хүний бие махбодийн нарийн нийлмэл бүтцийг бүрэн илэрхийлж чадаагүй. Өмнө дурдсан тогтолцооны биологийн судалгааны аргын нэгдэл нь баталгаат үр дүн, хамгийн зөв статистик тооцоолол, хамгийн шилдэг компьютер ашиглаж, биоанагаах судлаачид, математикчид, компьютерын мэргэжилтийг харилцан уялдаатай хамтран ажиллахыг шаардаж байдаг ч олон шалтгааны улмаас бүрэн гүйцэд зохицон ажиллаж чадахгүй байна.

Геномиксын ирээдүй. Хүн төрөлхтөн геномиксын эрин үеийн өмнө зогсож байна. Учир нь техник технологийн хөгжил, биоинформатикийн аргын боловсронгуй байдал, статистик тооцооллын дэвшилээр ирээдүйн арван жилд олон үсрэнгүй алхамууд нээгдэж геномикс нь урьдчилан сэргийлэх анагаах ухаан, хувь хүний анагаах ухаанд хэрэглэгдэж дөнгөж төрсөн хүүхдэд л ирээдүйд өвчилж болох эмгэг, тухайн өвчинд хэрэглэх эмийн бэлдмэлийн тун хэмжээ, амьдралын чанарыг сайжруулах бусад таамаглашгүй хүчин зүйлсийг ашиглан хүний насыг уртасгаж чадах билээ. Өнөөдөр ч дэлхий даяар геномиксын олон судалгааны арга боловсорч, худалдааны олон цомгууд туршигдан, зарим нь үйлдвэрлэгдэн хэрэглэгдэж байна. Өнөөдөр бидний хувьд тогтоож мэдээгүй олон хэсгүүд, үйл ажиллагаа нь бүрэн гүйцэд тайлагдаагүй олон генүүд, тэдгээрийг зохицуулан  буй үл кодлогч хэсгүүд, биоинформатикийн гүйцэд бус тооцоолол, технологийн давагдашгүй байдал нь хүн амын эрүүл мэндэд дорвитой өөрчлөлт авчрахад саад болсоор байгаа ч геномиксд тулгамдаж байгаа олон асуудлууд шийдэгдэх эсэх нь ердөө цаг хугацааны асуудал юм. Олон тооны арга техникүүд 10 жилийн өмнөхөөс хэдэн мянга дахин хямдарч, ажиллах хүчний хувьд хялбаршиж, цаг хугацаа богиносож байна.