Rejtett molekuláris kapcsolót fejtettek meg amerikai kutatók a mesterséges intelligencia segítségével az emberi génekben. A San Diegó-i Kaliforniai Egyetem (UC San Diego) tudósai feltárták a DNS-iniciátor szekvenciát, amely a humán genom csaknem 60 százalékában jelen van, és kulcsszerepet játszik a sejtek életfolyamatainak elindításában.
Az emberi szervezet minden sejtje azonos genetikai állományt hordoz, mégis teljesen eltérő feladatokat lát el egy májsejt, egy idegsejt vagy egy izomsejt. A különbség mögött a génszabályozás bonyolult rendszere áll, amely meghatározza, hogy mely gének mikor és milyen mértékben lépnek működésbe. Amikor egy gén aktiválódik, a benne tárolt információ először RNS-sé íródik át, ez a folyamat pedig a promóternek nevezett szabályozó régiónál kezdődik. A promóter szívében található a DNS-iniciátor szekvenciának nevezett elem, amely pontosan kijelöli az átírás kezdeti helyét. Ha ez a szabályozó mechanizmus meghibásodik, a sejtek működése leállhat, vagy elburjánzó sejtszaporodás, például rák alakulhat ki.
Félmillió genetikai variációból bontakozott ki a molekuláris kód
A kutatók évtizedek óta próbálták pontosan meghatározni a DNS-iniciátor szekvencia mintázatát, ám a feladat korábban szinte megoldhatatlannak bizonyult. Ennek oka, hogy az iniciátor nem egyetlen, merev bázissorrendet követ, hanem rendkívül sokféle formában jelenhet meg a genom különböző pontjain. A hagyományos laboratóriumi módszerekkel ezért nem lehetett egységes szabályrendszert felállítani az azonosítására.
A probléma áttöréséhez a kutatócsoport Torrey Rhyne-Carrigg doktorandusz és James T. Kadonaga professzor vezetésével nagyteljesítményű DNS-szekvenálási technológiát alkalmazott. A kísérletek során körülbelül 500 000 különböző iniciátor-variáció kifejeződési aktivitását mérték fel. Az így kapott óriási adatmennyiséget gépi tanulási algoritmusok elé tárták, amelyek képesek voltak felismerni a bázisok közötti rejtett összefüggéseket.
A kidolgozott modell megbízhatóan jelzi előre a DNS-iniciátor szekvencia jelenlétét vagy hiányát az emberi génekben. A számítógépes elemzés igazolta, hogy ez a specifikus szabályozó kód a humán gének körülbelül 60 százalékában megtalálható, vagyis a szervezet alapvető működési mechanizmusainak többségét ez a mintázat indítja be.
A daganatos betegségek megértése és a szintetikus biológia
A genetikai kód ezen elemének pontos feltérképezése közvetlen gyakorlati haszonnal jár az orvostudomány és a biotechnológia számára. Mivel a sejtek pontos fejlődéséhez és növekedéséhez több tízezer gén összehangolt működése szükséges, a DNS-iniciátor szekvenciát érintő apró pontmutációk is súlyos következményekkel járhatnak. Az elváltozások megváltoztathatják az enzimek, hormonok és szerkezeti fehérjék termelődésének ütemét, ami sejtszintű károsodásokhoz vezet.
Az elkészült algoritmus segítségével a genetikusok mostantól előre ki tudják számítani, hogy egy adott DNS-mutáció miként módosítja a génaktivációt. Ez a képesség kulcsfontosságú lehet a daganatos megbetegedések és a ritka örökletes kórképek korai felismerésében, valamint a betegséget kiváltó genetikai hibák beazonosításában.
A felfedezés emellett a genetikai tervezés előtt is új utakat nyit. A pontosan megértett iniciátor-mintázat alapján a kutatók képesek lehetnek szintetikus promótereket tervezni. Ezek a mesterséges DNS-kapcsolók szándékosan szabályozott aktivitású génterápiás készítmények és biotechnológiai fehérjék előállítását tehetik lehetővé a jövőben.
A teljes genomikai szabályozási nyelv feltárása a cél
A tanulmány a Genes and Development szakfolyóiratban jelent meg, és rávilágít arra, hogy a kísérletes biológia és az algoritmusok ötvözése miként alakítja át a modern genetikát. A kutatók kiemelték, hogy a DNS-iniciátor szekvencia dekódolása csupán az első lépés abban a folyamatban, amely az emberi genom teljes kifejeződési kódjának feltérképezését célozza.
A szakemberek végső célja egy olyan átfogó modell megépítése, amely képes leírni a teljes génszabályozási hálózatot. Egy ilyen rendszerszintű megközelítés lehetővé tenné, hogy a kutatók egyetlen egyén genetikai variációiból pontosan megjósolják a sejtfehérjék termelődését és a betegségekre való hajlamot.
A humán genom szabályozó szegmenseinek megértése így fokozatosan átvált az adatgyűjtésről a számítógépes modellezésre, ahol a biológiai szabályok tisztázása közvetlenül támogatja az új gyógyászati eljárások fejlesztését.
