Искусственный интеллект предсказывает регуляторную роль и 3D-структуру ДНК

Новые программы на основе искусственного интеллекта (ИИ) точно предсказали роль регуляторных элементов ДНК и её трёхмерную (3D) структуру, основываясь исключительно на исходной последовательности. Об этом сообщается в двух недавних исследованиях в Nature Genetics.

По словам автора работ Цзянь Чжоу, эти инструменты могут пролить новый свет на то, как генетические мутации приводят к заболеваниям, и улучшить понимание того, как последовательность ДНК влияет на пространственную организацию и функцию хромосом в ядре.

"Вместе эти две программы дают более полную картину того, как изменения в последовательности ДНК, даже в некодирующих регионах, могут драматически влиять на её пространственную организацию и функцию", — отметил доктор Чжоу.

Лишь около 1% человеческой ДНК кодирует инструкции для создания белков. Исследования показали, что значительная часть оставшегося некодирующего материала содержит регуляторные элементы (промоторы, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы), которые контролируют экспрессию генов. Однако то, как последовательность ДНК управляет функциями этих элементов, до конца не изучено.

Инструмент Sei для классификации регуляторных элементов

Чтобы лучше понять эти компоненты, доктор Чжоу с коллегами разработали модель глубокого обучения Sei. Она точно сортирует фрагменты некодирующей ДНК по 40 "последовательностным классам" (функциям), например, как энхансер для активности генов в стволовых или мозговых клетках.

Эти 40 классов, созданные с использованием почти 22 000 наборов данных из предыдущих исследований, охватывают более 97% генома человека. Sei может оценить любую последовательность по её предсказанной активности в каждом классе и спрогнозировать, как мутации влияют на эту активность.

Применив Sei к данным по генетике человека, исследователи охарактеризовали регуляторную архитектуру 47 признаков и заболеваний из базы данных UK Biobank и объяснили, как мутации в регуляторных элементах вызывают конкретные патологии. Это помогает получить более систематическое понимание связи геномных изменений с болезнями.

Инструмент Orca для предсказания 3D-структуры

В мае доктор Чжоу представил другой инструмент — Orca, который предсказывает 3D-архитектуру ДНК в хромосомах на основе её последовательности.

Обучив модель на существующих наборах данных о последовательностях и структурной информации, исследователи показали, что Orca с высокой точностью предсказывает структуры ДНК разного масштаба. Это работает и для последовательностей с мутациями, связанными с различными состояниями, включая одну из форм лейкемии и пороки развития конечностей. Orca также позволила сгенерировать новые гипотезы о том, как последовательность ДНК контролирует её локальную и крупномасштабную 3D-структуру.

Оба инструмента (Sei и Orca) общедоступны на веб-серверах и в виде открытого исходного кода. Доктор Чжоу и его коллеги планируют использовать их для дальнейшего изучения роли генетических мутаций в развитии заболеваний, что в перспективе может привести к новым методам лечения.