Искусственный интеллект помог биоинформатикам сгенерировать карту флипонов

Исследователи из НИУ ВШЭ и Сбера использовали искусственный интеллект, чтобы предсказать расположение в геноме фрагментов ДНК, способных переворачиваться и образовывать зеркальную структуру — Z-ДНК. Ученые обнаружили, что эти фрагменты пересекаются с известными мутациями, вызывающими тяжелые наследственные заболевания, могут влиять на здоровье человека, его рост, вес, уровень холестерина и даже определять рыжий цвет волос. Результаты работы опубликованы в журнале Life Science Alliance.

Z-ДНК — зеркальная форма молекулы ДНК, и если классическая, наиболее распространенная структура — это двойная спираль, закрученная вправо, то Z-ДНК — спираль, закрученная влево. Менять обычную форму молекулы на зеркальную позволяют особые участки ДНК — флипоны. Они не только переворачивают молекулу, но и могут менять характер считывания генов.

Исследователи Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Лаборатории искусственного интеллекта Сбера проанализировали расположение флипонов Z-ДНК в геноме, чтобы лучше понять роль перевернутой структуры молекулы в организме человека.

С помощью нейросетевого алгоритма, предобученного на экспериментальных данных, ученым удалось с высокой точностью предсказать расположение флипонов на всем протяжении генома. Оказалось, что эти участки пересекаются с генами, мутации которых могут приводить к тяжелым наследственным заболеваниям. Перевернутая молекула ДНК способна менять генетическую программу.

Например, ученые доказали, что Z-ДНК влияет на развитие таких врожденных заболеваний, как гемоглобинопатия, несовершенный остеогенез, синдром Ваарденбурга и другие. Кроме того, при попадании мутации в область действия флипонов она может определять некоторые внешние черты человека, а также процессы, происходящие в организме.

Экспериментальные данные позволяют узнать, какие конкретно участки ДНК были в нестандартной конформации на момент проведения эксперимента. Однако участков, которые потенциально могут принимать другие формы, гораздо больше, чем можно увидеть в каждом эксперименте. Разработанный алгоритм находит все участки, которые могут менять конформацию, что дает биологам возможность исследовать взаимосвязь флипонов с другими генетическими механизмами

Дмитрий Умеренков
Исполнительный директор по исследованию данных Лаборатории искусственного интеллекта Сбербанка

Эта работа — важный шаг к пониманию роли альтернативных структур ДНК в организме человека. Нам удалось создать полномасштабный ресурс Z-флипонов, который в дальнейшем можно использовать для проверки гипотез. Карта флипонов поможет выявить взаимосвязь мутаций с различными клиническими состояниями и найти новые способы лечения тяжелых заболеваний.

Мария Попцова
Руководитель Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ

IQ

23 июня, 2023 г.