ИИ-инструмент для изучения РНК-структур раскрывает тайны «тёмного генома»

Человеческий геном был картирован десятилетия назад, но большая его часть остаётся «чёрным ящиком». Учёные из UNSW разработали инструмент, чтобы заглянуть внутрь, и их открытия могут изменить наше понимание болезней.

Геном — это генетическая карта организма, но мы почти не понимаем его. Наши знания о частях генома, которые дают телу инструкции (например, «сделать глаза голубыми» или «вызвать серповидноклеточную анемию»), удовлетворительны. Однако существуют обширные области генома, которые, казалось бы, ничего не делают. Учётые долго считали это «мусорной» ДНК — остатками миллиардов лет эволюции.

Оказалось, мы просто не знали, что и как искать. Новые инструменты, разработанные в UNSW Sydney совместно с исследователями из Университета Монреаля и Университета Макгилла, помогают понять, насколько важен «тёмный геном». Учёные надеются, что это откроет новые пути для разработки лекарств и изменит представления о болезнях и самой жизни.

Видение в темноте

Геном делится на кодирующие белок гены (~2%) и всё остальное. Белки — это «машины», выполняющие работу в организме; кодирующие белок гены — инструкции для них. Остальные 98% не строят белки, не следуют тем же правилам и гораздо сложнее для понимания. Они содержат «длинные некодирующие РНК», которые долго считались мусором.

«Мы пытаемся расшифровать логическую схему человеческого генома — скрытые правила, которые говорят нашей ДНК, как построить и запустить человека», — говорит соавтор исследования доцент Мартин Смит из UNSW School of Biotechnology & Biomolecular Sciences.

Это сложная, но важная задача, поскольку исследования показывают, что корни многих болезней (включая болезни сердца, рак и некоторые психические расстройства) лежат за пределами хорошо изученных кодирующих белок областей генома. Некодирующие гены играют ключевую регуляторную роль, включая и выключая определённые гены или изменяя их форму. Сбой в этом процессе приводит к поломкам.

«Мы считаем, что эти РНК действуют как программное обеспечение, организуя белковое "железо" в функционирующую симфонию», — говорит доц. Смит. Это не мусор.

Вы — не банан

Вы могли слышать, что у вас 60% ДНК совпадает с бананом. Это не совсем верно, но в этом есть доля правды. Люди, бананы и всё остальное произошли от одного «супа» бактерий и одноклеточных организмов около четырёх миллиардов лет назад. Часть нашей ДНК сохранилась, потому что выполняет фундаментальные функции в клетках.

Исследования показывают, что около 10% человеческого генома демонстрирует очевидную консервацию, но остальное определить сложнее. «Мы подозреваем, что оставшиеся ~90% генома содержат множество консервативных РНК-структур, невидимых для традиционных подходов — скрытые регуляторные элементы, замаскированные в геноме», — говорит доц. Смит.

Здесь на помощь приходит ИИ, разработанный в UNSW, — инструмент ECSFinder. Он описан в статье в журнале Nucleic Acids Research. Доц. Смит и его команда обучили программу на известных РНК-структурах для обнаружения секретов, скрытых в геноме. Программа превзошла другие доступные инструменты и готова к применению на всём геноме.

«Мы ожидаем обнаружения сотен тысяч новых РНК-структур, что добавит новое измерение в наше понимание генома», — говорит доц. Смит.

По-настоящему персонализированное здравоохранение

Святой Грааль современной медицины — персонализированная терапия, лечение, разработанное специально для конкретного заболевания. Однажды клиницисты смогут взять образец ДНК раковой опухоли, картировать её геном и разработать сверхспецифичные лекарства, нацеленные на её слабые места, — и всё это за несколько недель.

Если секреты всех генетически обусловленных болезней скрыты в «тёмном геноме», то умение его читать становится императивом. Для доц. Смита главная перспектива ECSFinder заключается не только в расшифровке тёмного генома, но и в его внедрении в клиническую практику.

«Поскольку на РНК-структуры можно нацеливать лекарства, они представляют собой захватывающую новую границу для терапии».