Az emberi DNS működésének egyik fontos titkát sikerült közelebb hozniuk a kutatóknak: mesterséges intelligencia segítségével azonosították azt a mintázatot, amely számos gén esetében szerepet játszik az aktivitás elindításában.
- Amerikai kutatók mesterséges intelligencia segítségével vizsgálták, hogyan szabályozzák a sejtek a gének működését.
- A kutatás középpontjában az iniciátornak nevezett DNS-motívum állt, amely a gének átírásának kezdetét segíti.
- Nagy áteresztőképességű kísérletekkel félmillió különböző iniciátort elemeztek, majd gépi tanulási modelleket fejlesztettek az adatokból.
- Az eredmények segíthetnek megérteni, hogy a genetikai eltérések hogyan járulnak hozzá egyes betegségek, például daganatok kialakulásához.
- A kutatás eredményei hasznosíthatók lehetnek a szintetikus biológiában is, például mesterséges promóterek tervezésénél.
A génjeink önmagukban még nem elegendők ahhoz, hogy a szervezet megfelelően működjön: legalább ennyire fontos, hogy a sejtek tudják, mikor és hol kell használniuk a bennük tárolt információt. Amerikai kutatók most a mesterséges intelligencia segítségével fejtették meg ennek a rendkívül összetett szabályozásnak egy fontos elemét. A felfedezés hosszabb távon abban is segíthet, hogy jobban megértsük egyes betegségeket okozó genetikai eltérések hatását.
Az emberi DNS-t gyakran egy hatalmas használati utasításhoz hasonlítják, de a kép ennél jóval bonyolultabb. Nem elég ugyanis, hogy egy gén jelen legyen a DNS-ben: a sejtnek azt is „tudnia” kell, hogy az adott gént mikor kezdje el használni, pontosan hol induljon az információ leolvasása, és milyen intenzíven működjön.
Ennek a rendszernek az egyik fontos szereplőjét vizsgálta a University of California San Diego kutatócsoportja James T. Kadonaga professzor laboratóriumában. A Genes & Development folyóiratban megjelent tanulmány középpontjában az úgynevezett iniciátor, röviden Inr állt. Ez egy, a génátírás kezdőhelye körül található DNS-motívum, amely számos gén esetében részt vesz a transzkripció elindításának szabályozásában.
Félmillió DNS-változatot vizsgáltak meg
A kutatók nem egyszerűen számítógépes adatbázisokat elemeztek. Először laboratóriumi kísérletekkel körülbelül 500 ezer különböző iniciátorváltozat aktivitását mérték meg nagy áteresztőképességű módszerekkel. Az így létrejött hatalmas adathalmazt ezután gépi tanulási modellek betanítására használták.
A modell lényegében azt tanulta meg, milyen DNS-bázissorrend jellemzi a működő iniciátort. Ennek segítségével már nagy pontossággal lehetett előre jelezni, hogy egy adott promóterben jelen van-e ez a szabályozóelem, illetve milyen erősen működhet.
A kutatás egyik legfontosabb eredménye, hogy az Inr a vizsgált természetes emberi promóterek mintegy 60 százalékában megtalálható. Ez valamivel pontosabb megfogalmazás annál, mint hogy „az emberi gének 60 százalékában van jelen”: az iniciátor ugyanis nem magának a génnek egy univerzális kapcsolója, hanem a transzkripció kezdetét szabályozó promóterrégió egyik lehetséges eleme.
Nem egyetlen „főkapcsolót” találtak a DNS-ben
A felfedezés könnyen úgy hangozhat, mintha a kutatók megtalálták volna azt az egyetlen gombot, amely bekapcsolja az emberi géneket. Erről azonban nincs szó.
A génműködést számos szabályozó DNS-elem és fehérje együttesen irányítja. Az iniciátor ennek a rendkívül összetett rendszernek az egyik fontos része. A mostani kutatás ráadásul más promóterelemekkel való kapcsolatát is vizsgálta, köztük a TATA boxszal és a downstream promoter regionnel (DPR). A kutatók egy új, TATA-hoz kapcsolódó iniciátortípust is azonosítottak.
A jelentőség tehát nem abban rejlik, hogy előkerült volna a génjeink egyetlen univerzális kapcsolója, hanem abban, hogy a tudósok sokkal pontosabban kezdik érteni a DNS „nyelvtanának” egyik alapvető szabályát.
Betegségekhez vezető mutációk jelentőségét is könnyebb lehet megérteni
Ennek orvosi szempontból is komoly jelentősége lehet. A DNS-ben rengeteg genetikai eltérést ismerünk, ám pusztán egy variáns megtalálása még nem feltétlenül mondja meg, milyen következményekkel jár az adott változás.
Ha egy mutáció például az iniciátor működését módosítja, megváltozhat, hogyan indul el egy gén átírása. Az új modellek segítségével a kutatók a jövőben pontosabban becsülhetik meg az ilyen eltérések funkcionális következményeit. Ez olyan betegségek vizsgálatában is fontos lehet, amelyekben a génszabályozás zavara szerepet játszik, köztük bizonyos daganatos betegségekben.
Ez azonban nem jelenti azt, hogy megszületett egy új rákkezelés. A jelenlegi munka alapkutatás: olyan eszközt ad a tudósok kezébe, amellyel pontosabban vizsgálhatják a génműködés szabályait és egyes mutációk lehetséges hatását.
Mesterséges géneket szabályozó kapcsolók is készülhetnek
Ahogy a Blikk is megírta, a kutatásnak a szintetikus biológiában is lehet szerepe. Az eredmények felhasználhatók úgynevezett szintetikus promóterek tervezéséhez. Ezek mesterségesen kialakított DNS-szakaszok, amelyek segítségével szabályozható, hogy egy gén milyen körülmények között és milyen intenzitással működjön.
Ez különösen érdekes lehet a gén- és sejtterápiák fejlesztésében. Egy terápiás gén esetében ugyanis nem feltétlenül elegendő eljuttatni a megfelelő genetikai információt a sejtekbe. Az is kulcskérdés, hogy a gén a megfelelő sejtekben, a megfelelő időpontban és megfelelő mennyiségben fejeződjön ki.
A mostani eredmény önmagában még nem oldja meg ezt a problémát, de pontosabb építőelemeket adhat a későbbi fejlesztésekhez.
A nagy cél: megtanítani az MI-t a DNS szabályozási nyelvére
Kadonaga és munkatársai ennél jóval messzebbre tekintenek. Az emberi sejtekben található több milliárd DNS-bázis nemcsak a fehérjék előállításához szükséges információt tartalmazza, hanem azt a szabályozási rendszert is, amely meghatározza, hogy egy-egy gén mikor, hol és milyen mértékben legyen aktív.
A kutatók hosszú távú elképzelése szerint mesterséges intelligenciával ennek a génexpressziós kódnak egyre nagyobb része értelmezhetővé válhat. Ha egyszer olyan modell készülne, amely a génszabályozás sokféle elemét egyszerre képes figyelembe venni, az segíthetne megjósolni, hogy különböző genetikai variánsok miként befolyásolják az egyes emberek génműködését.
Az iniciátor megfejtése ebből a szempontból csak egyetlen darabja egy hatalmas kirakósnak. Mégis fontos darab: jól mutatja, hogy a nagyszabású laboratóriumi kísérletek és a mesterséges intelligencia együtt olyan mintázatokat tehetnek felismerhetővé a DNS-ben, amelyek hagyományos módszerekkel jóval nehezebben lennének feltárhatók.
Van egy rejtett kód a DNS-ben, melyet csak most azonosítottak a tudósok
Kövesse az Egészségkalauz cikkeit a Google Hírek-ben, a Facebook-on, az Instagramon vagy a X-en,Tiktok-on is!
