Нейросеть для редактирования генов

На сегодняшний день уже существуют технологии редактирования генов, например, с целью предотвращения наследственных заболеваний. Недавно пресс-служба Колумбийского университета сообщила о разработке системы искусственного интеллекта, которая позволит оценивать эффект воздействия популярной системы редактирования генома CRISPR/Cas на РНК. Подробности разработки были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

CRISPR/Cas – это своего рода генетический антивирус, способный находить и уничтожать следы вирусной ДНК в геноме живого организма. На его основе, а также на базе аналогичных клеточных систем были разработаны многочисленные геномные редакторы, с помощью которых можно корректировать не только молекулы ДНК, но и РНК. В частности, такими свойствами обладает белок Cas13, который присутствует в клетках некоторых микроорганизмов.

Таким образом, исследователи смогли управлять активностью генов в отдельных клетках, не затрагивая при этом структуры их генома. Для этого следует всего лишь изменить структуру нитей так называемой матричной РНК, представляющей собой «рабочие копии» отдельных генов, используемых клетками для синтеза белков.

Возможность изменять генетические структуры, казалось бы, открывает перед человечеством небывалые перспективы. Поработав с геномом, мы научимся не только избегать наследственных болезней, но и проектировать заранее определенные физические качества, говорят футурологи.

По мнению специалистов, человеческие клетки должны реагировать на такое «генное редактирование» аналогичным образом. Правда, пока неизвестно, годится ли данная методика для коррекции генетической склонности к ожирению и какие побочные эффекты может вызвать ее применение. Да и на людях она еще не проверялась.

Несколько лет назад исследователи из Гарварда и Массачусетса решили воздействовать на гены ожирения. За предрасположенность к ожирению отвечает вариант гена FTO. Мутации FTO приводят к повышению уровня грелина – гормона, ответственного за аппетит и чувство голода, вынуждая владельца мутировавшего гена постоянно есть, а также провоцируют избыточную активность генов IRX3 и IRX5, отвечающих за формирование клеток жировой ткани.

Для блокировки FTO была использована технология CRISPR-Cas9. Ее применение привело к тому, что уровень активности IRX3 и IRX5 снизился, а клетки, находившиеся в процессе развития, реже становились жировыми.

Первыми подопытными стали грызуны, которым ввели генно-модифицированные жировые клетки. Результат превзошел все ожидания. Мыши стали с удивительной скоростью терять вес. При этом животным не увеличивали физические нагрузки и не меняли рацион питания. Животные продолжали худеть даже во сне! В итоге им удалось сбросить изначальный вес в два раза.

Генные модификации, возможно, сумеют решить и проблему иммунитета. Существует ряд так называемых иммуномодуляторов, которые могут положительно на него повлиять. Это и специальные препараты, и витаминные комплексы, и продукты, содержащие нужные вещества и микроэлементы. Однако порой организму требуется куда более точный контроль над иммунной системой.

Вот бы научиться включать и выключать иммунитет по заказу! Скажем, если он слабоват и не может справиться с угрозой, то нажать на «кнопку» в организме и включить его на полную. А если он, наоборот, слишком силен и это идет во вред организму, то «выключить» или просто «притушить».

Для того чтобы это стало возможным, необходимо сначала понять механизмы, которые управляют иммунитетом. Именно данной целью и задалась команда специалистов отделения иммунологии Детской исследовательской больницы Сент-Джуд (Мемфис, штат Теннесси, США).

Ученым удалось выявить ферменты, ответственные за запуск иммунного ответа. Ключевым из них является mTORC1, который определяет, достаточно ли в регуляторных Т-клетках питательных веществ для активизации иммунной системы. Для идентификации генов, ответственных за кодирование нужных ферментов, исследователи применили все тот же метод CRISPR. Ученые перебрали около 20000 генов в составе генома подопытной мыши. Для того чтобы выяснить, как кодируемые генами белки взаимодействуют с функциональными «модулями», составляющими регуляторные сети иммунной системы, работа велась с обширными базами данных белков. В ходе этого процесса были выявлены десятки генов, которые либо активировали, либо инактивировали mTORC1.

Но до широкого распространения данной технологии пока далеко. Дело в том, что при ее использовании изменения вносятся не только в РНК-копию нужного гена, но и в другие похожие вариации. Это мешает полноценному исследованию функций генов и разработке вариантов терапии для нормализации работы конкретных генов.

Новый нейросетевой алгоритм способен подобрать такую структуру РНК-шаблонов, используемых системой для поисков редактируемых копий генов, чтобы вероятность ее случайного срабатывания была минимизирована. «…Мы разработали подход, который позволяет использовать геномный редактор CRISPR/Cas для изменения структуры произвольных нитей матричной РНК, – прокомментировал старший научный сотрудник Геномного центра Нью-Йорка Ганс-Герман Вессельс. – Созданная нами нейросеть TIGER позволяет подбирать варианты использования редактора, сочетающие эффективное редактирование РНК и низкую вероятность захвата других генов».

Чтобы достичь таких результатов, авторам разработки – команде математиков и молекулярных биологов – пришлось исследовать структуру и уровень активности более 200 тысяч созданных случайным образом РНК-шаблонов, которые были введены внутрь человеческих клеток. Преимущество нейросети TIGER в том, что она еще и способна прогнозировать, как введение РНК-шаблонов в клетку совместно с белком Cas13 или его аналогами повлияет на уровень активности гена, подлежащего коррекции.

По словам ученых, новая методика будет способствовать борьбе с такими генетически обусловленными диагнозами, как, например, отдельные разновидности шизофрении или синдром Дауна.