Глубокое обучение помогает раскрыть молекулярные механизмы конвергентной эволюции

Исследовательская группа под руководством профессора Цзоу Чжэнтина из Института зоологии Китайской академии наук представила метод на основе глубокого обучения для изучения молекулярных механизмов конвергентной эволюции — явления, при котором разные виды независимо развивают сходные признаки, например, крылья у птиц и летучих мышей.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences 23 сентября.

Традиционные методы изучения конвергентной эволюции фокусируются на изменениях в отдельных участках конкретных белков. Однако у них есть ключевое ограничение: функция белка зависит не только от отдельных аминокислотных остатков, но и от более сложных высокоуровневых признаков, таких как трёхмерная структура. Существующие инструменты не учитывают эти признаки при оценке адаптивной конвергенции на молекулярном уровне.

Чтобы устранить этот пробел, команда использовала предобученные языковые модели белков (PLMs). На нескольких известных биологических примерах они показали, что «эмбеддинги» (векторные представления), генерируемые PLMs, могут точно отражать сходство высокоуровневых признаков белков, даже если на уровне отдельных участков сходства мало.

На основе этого открытия команда разработала аналитическую платформу Adaptive Convergence by Embedding of Proteins (ACEP). Этот инструмент позволяет проводить полногеномный поиск адаптивной конвергентной эволюции в высокоуровневых признаках белков, используя эмбеддинги PLMs.

Исследователи применили ACEP к случаю эхолоцирующих млекопитающих. Сравнивая эхолоцирующих летучих мышей и зубатых китов, ACEP выявил как известные, так и ранее не описанные гены-кандидаты, каждый из которых демонстрировал признаки адаптивной конвергенции в высокоуровневых признаках белков.

Дальнейший анализ показал связь между значимостью обнаружений ACEP и конвергентными физико-химическими свойствами белков, такими как плотность общего электрического заряда. Это проливает свет на потенциальные молекулярные механизмы, лежащие в основе наблюдаемой конвергенции.

Исследование подчёркивает критическую роль высокоуровневых признаков белка как молекулярной основы функциональной конвергентной эволюции, которая помогает организмам адаптироваться к окружающей среде.