Naukowcy z Instytutu Immunologii La Jolla (LJI) opracowali nową metodę obliczeniową umożliwiającą powiązanie śladów molekularnych w naszym DNA z aktywnością genów. Ich praca może pomóc naukowcom w połączeniu genów z molekularnymi „przełącznikami”, które je włączają i wyłączają.

Badanie to, opublikowane w Biologia genomuto ważny krok w kierunku wykorzystania podejść do uczenia maszynowego w celu lepszego zrozumienia powiązań między ekspresją genów a rozwojem chorób.

„Te badania mają na celu wprowadzenie trójwymiarowej perspektywy do badania modyfikacji DNA i ich funkcji w naszym genomie” – mówi profesor nadzwyczajny LJI, dr Ferhat Ay, który wspólnie kierował badaniami z profesor LJI, dr Anjaną Rao. .

Ay i Rao pracują nad wskazaniem regionów genomu zawierających wzmacniacze molekularne, czyli „przełączniki”, które dostosowują poziom ekspresji genów oraz określają, kiedy i gdzie geny będą włączone, a które wyłączone. Praca ta wymaga od badaczy opracowania narzędzi obliczeniowych, które będą w stanie wykorzystać złożone dane genomiczne i ustalić, które wzmacniacze są połączone z którymi genami.

W nowym badaniu badacze z LJI wykorzystali narzędzia uczenia maszynowego zwane liniowymi i grafowymi sieciami neuronowymi do przetwarzania danych genomicznych i tworzenia tych połączeń. Sieci neuronowe to narzędzia obliczeniowe wzorowane na sposobie, w jaki neurony w mózgu przetwarzają informacje i identyfikują wzorce. Graficzne sieci neuronowe są w stanie integrować informacje 3D, takie jak fizyczne interakcje DNA wewnątrz komórki.

Doktor Edahí González-Avalos przewodziła rozwojowi tej grafowej sieci neuronowej jako studentka studiów magisterskich na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, której mentorami byli Rao i Ay z LJI. „Możemy to wykorzystać do ustalenia priorytetów interakcji DNA w genomie” – mówi González-Avalos, który obecnie pracuje w Guardant Health.

Sieć neuronowa zaczyna działać

Naukowcy przeszkolili nowe sieci neuronowe, które uczą się, w jaki sposób obecność ważnej modyfikacji DNA zwanej 5hmC, zarówno w pobliżu genu, jak i daleko od niego, jest powiązana z aktywnością ekspresji genów. To przyłączenie grupy hydroksymetylowej do cytozyny zostało powiązane z aktywnością wzmacniacza.

W rzeczywistości wydaje się, że 5hmC ma tak istotny wpływ na ekspresję genów, że naukowcy nazwali 5hmC „szóstą literą” alfabetu DNA obok A, T, C, G i pośredniej formy metylowanej zwanej 5mC (piąta zasada). Konwersja 5mC do 5hmC na cytozynie jest związana z aktywnością wzmacniacza – im więcej 5hmC, tym większy poziom aktywności wzmacniacza.

W poprzednich badaniach naukowcy z Rao Lab odkryli, że lokalizacja 5hmC w genomie zmieniała się w zależności od rodzaju komórek, na które patrzyli, i od tego, jakie geny wyrażały te typy komórek. Rzeczywisty kod DNA byłby taki sam, ale 5hmC byłoby przyłączone do genomu w różnych miejscach komórki wątroby, a nie komórki płuc lub komórki mózgu.

Ta dystrybucja 5hmC kontrolowała ekspresję różnych zestawów genów w tych różnych typach komórek. Naukowcy odkryli, że 5hmC przyłącza się do regionów genomu, które działają jak wzmacniacze – tych samych regionów, które pomagają włączać i wyłączać ekspresję genów – a także do samych genów. Te różnice w aktywnych genach i wzmacniaczach odróżniają komórki wątroby od komórek w płucach lub neuronów w mózgu.

„Rozkład 5hmC różni się w zależności od typu komórki” – mówi Rao. „Jeśli potrafisz określić, gdzie znajduje się 5hmC, możesz wywnioskować, jaki typ komórki wytwarza badane DNA”.

Na przykład, jeśli komórka jest komórką nowotworową, można wywnioskować, jaki to rodzaj nowotworu, nawet jeśli wystąpiły przerzuty (oddalono się od) pierwotnego miejsca w organizmie.

Nowa metoda badawcza umożliwia prostsze powiązanie genów i wzmacniaczy niż było to możliwe w przypadku wcześniejszych metod.

„Ten artykuł stanowił dowód słuszności koncepcji pokazujący, że możemy wykorzystać te grafowe sieci neuronowe do przewidywania interakcji między genami i wzmacniaczami przy użyciu 5hmC” – mówi González-Avalos.

Ay twierdzi, że był zadowolony, widząc, jak sieć neuronowa ujawniła powiązania między genami a 5hmC w odległych regionach genomu. Te długodystansowe połączenia w genomie pomogły w nadaniu priorytetu regionom posiadającym zdolność do zwiększania ekspresji genów.

„Ekscytujące jest to, że niektóre z tych odległych wzmacniaczy to nowatorskie elementy regulacyjne, które nie zostały wcześniej odkryte” – mówi Ay.

W przyszłości naukowcy mają nadzieję przyjrzeć się bliżej rozkładowi 5hmC, aby lepiej zrozumieć interakcje wzmacniacza i genów w komórkach ludzkich. „Badania przeprowadzono na danych z komórek myszy” – mówi Ay. „Następnie chcielibyśmy przyjrzeć się 5hmC i tym interakcjom w komórkach odpornościowych i komórkach nowotworowych pacjentów”.

Nadzieja na lepszą diagnostykę nowotworów

Podobnie jak w normalnych komórkach, dystrybucja 5hmC różni się w zależności od typu komórek nowotworowych. Oznacza to, że nowa metoda LJI może okazać się cenna dla zrozumienia mechanizmów genetycznych powodujących rozwój raka.

Rao twierdzi, że nowa metoda może również otworzyć drzwi do szybszej i dokładniejszej diagnozy raka.

Obecnie naukowcom bardzo trudno jest analizować próbki krwi pod kątem obecności guzów litych w organizmie.

Komórki guza litego zwykle nie są dostępne we krwi. Dostępne jest DNA, i to zazwyczaj DNA, które uległo częściowej degradacji.”

Profesor Anjana Rao, dr, Instytut Immunologii La Jolla

Jak wyjaśnia Rao, lekarze mogliby pomóc większej liczbie pacjentów i potencjalnie wykryć nowotwory wcześniej, gdyby potrafili wyjść poza samo DNA i zamiast tego przeanalizować dystrybucję 5hmC.

Należy włożyć więcej pracy, zanim naukowcy będą dysponować narzędziami do wykrywania tego rodzaju nowotworów, ale Ay twierdzi, że nowe prace pokazują siłę łączenia danych eksperymentalnych z nowymi metodami obliczeniowymi. „To sugeruje, że stosując naszą nową metodę możemy zidentyfikować nowe, pozbawione adnotacji odległe wzmacniacze” – mówi Ay.