ИИ нашёл участок ДНК, регулирующий очередность процессов гармоничного развития организма

Американские биологи выяснили, что запускает работу больше половины генов человека — и сделали это не пинцетом и микроскопом, а нейросетью, которую натравили на полмиллиона фрагментов ДНК.

Переключатель, который прятался у всех на виду

У каждого гена есть своя «кнопка пуск» — участок ДНК, с которого стартует считывание генетической информации. Учёные называют его инициатором: именно здесь клетка решает, включать ген или нет. Проблема в том, что этот участок десятилетиями не поддавался расшифровке — слишком короткая и запутанная последовательность оснований, чтобы выцепить закономерность вручную.

Команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего пошла другим путём, обращает внимание xrust. Вместо того чтобы разглядывать инициатор под микроскопом, исследователи под руководством аспирантки Торри Райн-Карригг синтезировали около 500 000 вариантов этого участка и с помощью высокопроизводительного секвенирования замерили, как каждый из них влияет на активность гена. Массив данных вышел настолько большим, что для расчётов задействовали суперкомпьютер Expanse в Сан-Диего — обычный ноутбук такую задачу бы не потянул.

Нейросеть увидела то, что не увидел человек

Полученные полмиллиона примеров скормили модели машинного обучения. Задача была простая на словах и адская на деле: найти общий ДНК-паттерн, который отличает работающий инициатор от бесполезного набора букв A, T, G и C. Алгоритм справился — и, что важнее, впервые сделал это с высокой точностью предсказания.

Дальше модель отправили «гулять» по всему человеческому геному, чтобы проверить, где ещё встречается найденная закономерность. Результат удивил даже авторов: инициатор обнаружился примерно в 60% генов человека — то есть эта крошечная генетическая деталь причастна к запуску большинства процессов в клетке, от роста тканей до синтеза гормонов.

Руководитель лаборатории, профессор молекулярной биологии Джеймс Кадонага, отметил, что построенные ИИ-модели впервые дали надёжный прогноз наличия или отсутствия инициатора в генах — и тем самым фактически раскрыли его ДНК-код. Работа опубликована в научном журнале Genes & Development.

При чём тут рак и почему это не просто теория

Сбой в работе инициатора — не абстрактная неприятность. Когда клетка неправильно включает или выключает гены, это напрямую связано с развитием заболеваний, включая онкологические. Зная точный ДНК-код инициатора, учёные получают инструмент, чтобы заранее прогнозировать, как та или иная мутация в этом участке изменит активность гена — и, соответственно, оценивать риски задолго до того, как проблема проявится клинически.

Есть и практический выход в другую сторону: на основе расшифрованного кода можно проектировать синтетические промоторы — искусственные последовательности ДНК, которые включают или выключают нужный ген по команде. Это уже не диагностика, а инструмент генной инженерии — пригодится и в терапии, и в биотехе.

Это только один винтик в огромном механизме

Сам Кадонага в комментарии подчеркнул, что открытие — это лишь фрагмент куда большей картины. По его словам, в шести миллиардах пар оснований ДНК каждой клетки зашит целый «код экспрессии генов», который определяет, когда, где и в какой степени должен работать каждый ген. Расшифрованный инициатор — только один узел этой системы, но исследователь настроен оптимистично: он рассчитывает, что в обозримом будущем аналогичные ИИ-модели удастся построить и для остальных частей генетического кода.

Показательно, что прорыв случился именно на стыке лабораторной биологии и искусственного интеллекта — без полумиллиона экспериментально проверенных вариантов у нейросети попросту не было бы данных для обучения, а без ИИ этот массив данных так и остался бы нечитаемым шумом.

Источники:
today.ucsd.edu
phys.org
news-medical.net