Прецизното активиране на десетки хиляди гени е от ключово значение за нормалното развитие и функциониране на човешкия организъм. Специализирани участъци от ДНК контролират генетичните последователности, отговорни за производството на ензими, хормони, белтъци и други важни компоненти на клетките. Нарушенията в този процес могат да доведат до различни заболявания, включително рак.

За да разберат по-добре механизмите, чрез които определени участъци от ДНК активират гените, изследователи от лабораторията на професор Джеймс Т. Кадонага от Калифорнийския университет в Сан Диего са проучили важен елемент, известен като „инициатор“ (Inr). Именно той се намира в началната точка на транскрипцията, когато информацията, кодирана в гена, започва да се преобразува във функционален продукт.

В проучването, ръководено от докторанта Тори Райн-Кариг, учените използват високопроизводително секвениране на ДНК, за да изследват активността на около 500 000 различни варианта на инициатора. Получените данни са анализирани с помощта на машинно обучение – технология, базирана на изкуствен интелект. Така е създаден модел, способен да разпознава характерния ДНК модел на инициатора и да прогнозира неговата активност.

След като идентифицират специфичната му последователност, изследователите успяват да проследят присъствието ѝ в човешкия геном. Оказва се, че инициаторът присъства в около 60% от естествените човешки промотори – участъците от ДНК, които регулират началото на генната транскрипция.

„За първи път тези AI модели позволиха да се направят надеждни прогнози за наличието или отсъствието на инициатора в човешките гени и по този начин да се разкодира моделът на последователността от ДНК бази, който го определя“, заявява Кадонага, професор в Катедрата по молекулярна биология на Калифорнийския университет в Сан Диего.

Откритието може да помогне на учените да предвиждат как определени мутации в ДНК влияят върху работата на инициатора и дали подобни промени могат да бъдат свързани с различни заболявания. Получените данни и разработените модели могат също да бъдат използвани за създаването на синтетични промотори – генетични последователности, проектирани така, че да контролират кога и в каква степен даден ген да бъде активиран.

Изследването надгражда по-ранна работа на екипа на Кадонага върху механизмите за генна регулация. Още през 2017 г. неговата лаборатория описва човешкия „инициатор“ като широко разпространен елемент в началните участъци на гените, а през 2020 г. използва машинно обучение, за да идентифицира друг ключов елемент на генната активация – downstream promoter region (DPR).

Според Кадонага изследването представлява важна стъпка към съчетаването на лабораторни експерименти и изкуствен интелект за разкриване на информацията, кодирана в човешката ДНК. Ученият отбелязва, че в милиардите бази на ДНК във всяка човешка клетка е заложен своеобразен код, който определя кога, къде и до каква степен всеки ген трябва да бъде включен или изключен.

Авторите подчертават, че новият модел обхваща само малка част от огромния код, регулиращ генната експресия. Целта е подобни AI модели постепенно да бъдат разширявани, за да се разкриват и други механизми, чрез които ДНК управлява активността на гените.

Важно уточнение е, че представеното изследване е публикувано като научна работа от екипа на Кадонага, но наличната версия на самата публикация е препринт, тоест тя не е преминала през стандартния процес на рецензиране от научно списание към момента на проверката.

Въпреки това резултатите дават на учените нов инструмент за количествено прогнозиране на активността на генетични последователности и могат да подпомогнат бъдещи изследвания върху генни мутации, заболявания и разработването на синтетични генетични елементи.