Введение
В наших геномах скрыты крошечные последовательности, обладающие огромной силой контроля соседних генов. Известные как цис-регуляторные элементы (CRE), эти последовательности ДНК могут включать или выключать соседние гены. Недавно исследователи из Йельской медицинской школы, лаборатории Джексона и Института Брода Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали новый метод генеративный искусственный интеллект для разработки новых регуляторных элементов, которые точно контролируют экспрессию генов в клетках.
Важность цис-регуляторных элементов
CRE играют ключевую роль в регуляции экспрессии генов. Действуя как молекулярные переключатели, они определяют, активируется или подавляется ген в данном типе клеток. Эта специфичность необходима для правильного функционирования организмов, гарантируя экспрессию генов только там и тогда, когда это необходимо. Понимание и управление этими элементами имеет важное значение для биологии и медицины, особенно для таргетной генной терапии.
Разработка платформы CODA
Новая платформа искусственного интеллекта, называемая Computational Optimization of DNA Activity (CODA), использует глубокое обучение для генерации новых последовательностей ДНК, функционирующих как синтетические CRE. Подобно известным инструментам, таким как DALL-E и ChatGPT, CODA обучается на больших наборах данных природных регуляторных элементов, что позволяет ей создавать последовательности, эффективно активирующие или деактивирующие гены в определённых типах клеток. «Этот проект, по сути, задаётся вопросом: “Можем ли мы научиться читать и записывать код для этих регуляторных элементов?”», — объясняет Стивен Рейлли, доктор философии, доцент кафедры генетики в YSM и один из ведущих авторов исследования.
Потенциальные возможности применения в генной терапии
Управление экспрессией генов в определённых типах клеток может в будущем значительно улучшить генную терапию. Эти методы потенциально способны нейтрализовать мутации, вызывающие заболевания, но необходимы более эффективные методы доставки лекарств непосредственно к поражённым клеткам. Например, таргетирование на определённые нейроны, функционирующие при болезни Паркинсона, или на иммунные клетки, переносящие ВИЧ. Платформа CODA может помочь более точно направлять генную терапию на поражённые клетки, избегая побочных эффектов в здоровых органах.
Многообещающие результаты и будущие направления
Исследователи протестировали регуляторные элементы, разработанные с помощью ИИ, на выращенных в лаборатории клетках крови, печени и мозга и обнаружили, что во многих случаях синтетические элементы были более специфичны к типу клеток, чем любые известные природные последовательности. Последующие испытания на живых данио-рерио и мышах показали, что эти последовательности также активируют тестовые гены в определённых типах клеток животных. В одном случае разработанный регуляторный элемент активировал репортерный ген только в определённом слое клеток мозга мыши, несмотря на то, что был доставлен по всему организму животного.
Заключение
Возможность конструировать последовательности ДНК, контролирующие экспрессию генов с высокой точностью, открывает новые горизонты в биомедицинских исследованиях. Платформа CODA представляет собой значительный шаг вперёд, объединяя искусственный интеллект и молекулярную биологию для создания инструментов, модулирующих экспрессию генов беспрецедентными способами. «Эволюция, возможно, никогда не ставила перед собой задачу создания мощного драйвера для препарата от болезни Альцгеймера, но это не значит, что он невозможен», — говорит Райли. В будущих исследованиях исследователи планируют расширить применение CODA для разработки таргетной генной терапии различных генетических заболеваний, потенциально преодолевая ограничения, накладываемые естественной эволюцией.
