Машинное обучение помогает определить успех передового редактирования генома

Исследователи из Института Сэнгера разработали новый инструмент для прогнозирования шансов на успешную вставку отредактированной последовательности ДНК в геном клетки с помощью техники прайм-редактирования. Эта эволюция технологии редактирования генов CRISPR-Cas9 обладает огромным потенциалом для лечения генетических заболеваний у людей, от рака до муковисцидоза. Однако до сих пор факторы, определяющие успех редактирования, изучены недостаточно.

Исследование, опубликованное 16 февраля в Nature Biotechnology, оценило тысячи различных последовательностей ДНК, введенных в геном с помощью прайм-редакторов. Эти данные затем использовали для обучения алгоритма машинного обучения, чтобы помочь исследователям разрабатывать наилучшие способы исправления конкретных генетических дефектов. Это обещает ускорить усилия по внедрению прайм-редактирования в клиническую практику.

CRISPR-Cas9, разработанная в 2012 году, стала первой легко программируемой технологией редактирования генов. Эти «молекулярные ножницы» позволили исследователям разрезать ДНК в любой позиции генома, чтобы удалять, добавлять или изменять участки последовательности ДНК.

Базовые редакторы, инновация на основе CRISPR-Cas9, получили название «молекулярные карандаши» за способность заменять отдельные основания ДНК. Новейшие инструменты редактирования генов, созданные в 2019 году, называются прайм-редакторами. Их способность выполнять операции «найти и заменить» непосредственно в геноме с высокой точностью принесла им прозвище «молекулярные текстовые процессоры».

Конечная цель этих технологий — исправлять вредные мутации в генах людей. Более 16 000 вариантов малых делеций — когда из генома удалено небольшое количество пар оснований ДНК — причинно связаны с заболеваниями. Это включает муковисцидоз, где 70% случаев вызваны делецией всего трех пар оснований ДНК. В 2022 году Т-клетки, отредактированные базовыми редакторами, успешно использовали для лечения лейкемии у пациента, когда химиотерапия и трансплантация костного мозга не дали результата.

В новом исследовании ученые разработали 3604 последовательности ДНК длиной от 1 до 69 пар оснований. Эти последовательности вставили в три разные линии человеческих клеток, используя разные системы доставки прайм-редакторов в различных контекстах репарации ДНК. Через неделю клетки секвенировали, чтобы определить, были ли редактирования успешными.

Эффективность вставки, или успешность, каждой последовательности оценили, чтобы определить общие факторы успеха каждого редактирования. Ключевыми факторами оказались длина последовательности и тип задействованного механизма репарации ДНК.

«Переменных, влияющих на успешное прайм-редактирование генома, много, но мы начинаем открывать, какие факторы повышают шансы на успех. Длина последовательности — один из таких факторов, но это не так просто, как "чем длиннее последовательность, тем сложнее ее вставить". Мы также обнаружили, что один тип репарации ДНК препятствует вставке коротких последовательностей, тогда как другой тип репарации препятствует вставке длинных», — сказал Йонас Кёппель, первый автор исследования.

Чтобы разобраться в этих данных, исследователи применили машинное обучение для обнаружения закономерностей, определяющих успех вставки, таких как длина и тип репарации ДНК. После обучения на существующих данных алгоритм протестировали на новых данных, и он точно предсказывал успешность вставки.

«Проще говоря, несколько разных комбинаций из трех букв ДНК могут кодировать одну и ту же аминокислоту в белке. Вот почему существуют сотни способов отредактировать ген для достижения одного и того же результата на уровне белка. Загружая эти потенциальные редактирования гена в алгоритм машинного обучения, мы создали модель для их ранжирования по вероятности успеха. Мы надеемся, что это устранит большую часть проб и ошибок в прайм-редактировании и значительно ускорит прогресс», — сказала Джулиан Веллер, также первый автор исследования.

Следующими шагами команды будет создание моделей для всех известных генетических заболеваний человека, чтобы лучше понять, можно ли и как их исправить с помощью прайм-редактирования. В этом будут задействованы другие исследовательские группы Института Сэнгера и его партнеры.

«Потенциал прайм-редактирования для улучшения здоровья человека огромен, но сначала нам нужно понять самые простые, эффективные и безопасные способы внесения этих правок. Речь идет о понимании правил игры, что и помогут сделать данные и инструмент, полученные в результате этого исследования», — сказал доктор Леопольд Партс, старший автор исследования.