Искусственный интеллект создал короткие последовательности ДНК для генной терапии

Ученые из Broad Institute и Mass General Brigham разработали генеративную модель ИИ, которая создает короткие сегменты ДНК, способные контролировать активность генов в специфических клетках. Эти последовательности, называемые цис-регуляторными элементами (CRE), составляют значительную часть человеческого генома. Синтетические версии таких фрагментов ДНК в будущем могут стать частью генной терапии, направленной на лечение заболеваний путем настройки генной активности.

Модель под названием DNA-Diffusion создала надежные синтетические регуляторные элементы, включая те, которые реактивировали защитный ген в клеточных линиях лейкемии. По словам старшего автора исследования Луки Пиньелло, эта технология потенциально может привести к новым терапевтическим стратегиям, сочетающим синтетические регуляторные элементы с существующими технологиями генной терапии для обеспечения доставки лечения к нужным типам клеток в организме. Исследование опубликовано в журнале Nature Genetics.

Если думать о ДНК как о языке, вы не сможете овладеть им, просто удаляя буквы или вставляя слова в предложение. Чтобы выучить язык, мы должны уметь создавать целые новые предложения.

Команда заявляет, что их модель превзошла другие методы в генерации синтетических CRE, которые были функциональными, специфичными для типа клеток и обладали большим разнообразием последовательностей.

В этой работе мы демонстрируем, что эта модель не только может создавать последовательности, которые, по-видимому, работают в клетках, но и позволяет модулировать специфичность, активность и интенсивность экспрессии генов,

Нацеливание на ген рака

Основная технология основана на диффузионных моделях — методе ИИ, лежащем в основе генераторов изображений, таких как DALL-E и Stable Diffusion. Эти модели обучаются анализировать изображения на уровне пикселей, а затем генерировать новые изображения, используя паттерны, изученные во время тренировки. Пиньелло и его команда адаптировали этот подход для ДНК, обучив свою модель на данных о доступности хроматина из областей генома, содержащих регуляторные элементы.

Данные о доступности хроматина показывают, какие регуляторные элементы активно используются клеткой для контроля генной активности. После обучения модели на этих данных для трех типов клеток команда использовала ее для генерации более 5800 синтетических CRE. Лабораторные тесты показали, что эти последовательности сохранили свои регуляторные функции в специфичных типах клеток.

Для дальнейшей демонстрации технологии исследователи сосредоточились на гене AXIN2, который защищает от хронического лимфоцитарного лейкоза и часто отключается в B-клетках пациентов с этим заболеванием. Используя клеточную линию, полученную от людей с хроническим лимфоцитарным лейкозом, команда проанализировала активность 100 последовательностей, включая 60, сгенерированных их моделью. Они обнаружили, что многие из синтетических CRE были более эффективны во включении гена AXIN2, чем их природные аналоги. Также было показано, что последовательности, разработанные для B-клеток, проявляли активность, тогда как последовательности, созданные для других типов клеток, не активировали AXIN2.

Сейчас Пиньелло и его команда расширяют возможности своей модели и надеются объединить свою технологию с подходами геномной медицины, такими как геномные редакторы или генная терапия с использованием адено-ассоциированных вирусов (AAV) для доставки терапевтического груза к специфичным клеткам или тканям организма.

Люди в Broad Institute и по всему миру работают над технологиями для терапевтического изменения генома, поэтому, как мы предполагаем, комбинация генной терапии с этой технологией может стать очень мощным инструментом,

ИИ: Это исследование — яркий пример того, как методы генеративного ИИ, изначально созданные для творческих задач, находят революционное применение в фундаментальной науке и медицине. Возможность «программировать» активность генов с помощью искусственно созданных последовательностей ДНК открывает путь к персонализированным и высокоточным методам лечения, особенно в онкологии. В ближайшие годы мы, вероятно, станем свидетелями первых клинических испытаний, основанных на подобных подходах.