Учёные разработали новый метод сопоставления генов с их молекулярными «выключателями»
Учёные из Института иммунологии Ла-Хойи (LJI) разработали новый вычислительный метод для связи молекулярных меток на нашей ДНК с активностью генов. Эта работа может помочь исследователям связать гены с молекулярными «выключателями», которые их активируют или деактивируют.
Исследование, опубликованное в Genome Biology, — важный шаг к использованию методов машинного обучения для лучшего понимания связи между экспрессией генов и развитием заболеваний.
В новой работе исследователи LJI использовали инструменты машинного обучения — линейные и графовые нейронные сети — для обработки геномных данных и установления этих связей. Графовые нейронные сети способны интегрировать 3D-информацию, такую как физические взаимодействия ДНК внутри клетки.
Как работает нейронная сеть
Исследователи обучили новые нейронные сети определять, как наличие важной модификации ДНК, называемой 5hmC (близко к гену или далеко от него), связано с активностью экспрессии гена. Присоединение гидроксиметильной группы к цитозину ассоциируется с активностью энхансеров.
Фактически, 5hmC оказывает такое важное влияние на экспрессию генов, что учёные назвали её «шестой буквой» ДНК-алфавита наряду с A, T, C, G и промежуточной метилированной формой 5mC («пятое основание»). Превращение 5mC в 5hmC на цитозине связано с активностью энхансера — чем больше 5hmC, тем выше уровень активности энхансера.
В предыдущих исследованиях лаборатория Рао обнаружила, что расположение 5hmC в геноме меняется в зависимости от типа клеток и экспрессируемых ими генов. Сам генетический код остаётся тем же, но 5hmC присоединяется к геному в разных местах в клетке печени, лёгкого или мозга.
«Распределение 5hmC отличается от типа клеток к типу клеток», — говорит Рао. Например, если клетка является раковой, можно определить тип рака, даже если он метастазировал.
Новый исследовательский метод позволяет установить более простую связь между генами и энхансерами, чем это было возможно ранее. Нейронная сеть выявила связи между генами и 5hmC в удалённых областях генома, что помогло определить регионы со способностью усиливать экспрессию генов.
«Увлекательно то, что некоторые из этих отдалённых энхансеров являются новыми регуляторными элементами, которые ранее не были обнаружены», — говорит Ай.
Надежда на улучшение диагностики рака
Как и в нормальных клетках, распределение 5hmC различается между типами раковых клеток. Это означает, что новый метод LJI может оказаться ценным для понимания генетических механизмов, управляющих развитием рака.
Рао отмечает, что новый метод может также открыть путь к более быстрой и точной диагностике рака. Врачи могли бы помочь большему числу пациентов — и потенциально обнаруживать рак раньше, — если бы могли анализировать распределение 5hmC, а не только саму ДНК.
Для создания инструментов такого типа детекции рака требуется дополнительная работа, но Ай подчёркивает, что новое исследование демонстрирует силу сочетания экспериментальных данных с новыми вычислительными методами.