|
ИИ делает возможным быстрое редактирование генов
|
|
|
|
Программа искусственного интеллекта может позволить первое простое производство настраиваемых белков, называемых цинковыми пальцами, для лечения болезней путем включения и выключения генов. Исследователи из Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета и Университета Торонто, разработавшие этот инструмент, говорят, что он обещает ускорить разработку генной терапии в больших масштабах. Болезни, в том числе кистозный фиброз, болезнь Тея-Сакса и серповидноклеточная анемия, вызваны ошибками в порядке букв ДНК, которые кодируют рабочие инструкции для каждой клетки человека. В некоторых случаях ученые могут исправить эти ошибки с помощью методов редактирования генов, которые перестраивают эти буквы.
|
|
|
|
Другие состояния вызваны не ошибкой в самом коде, а проблемами в том, как клеточный механизм считывает ДНК (эпигенетика). Ген, который обеспечивает рецепт для определенного белка, часто сотрудничает с молекулами, называемыми факторами транскрипции, которые сообщают клетке, сколько этого белка нужно производить. Когда этот процесс идет наперекосяк, сверх- или малоактивные гены способствуют диабету, раку и неврологическим расстройствам. В результате исследователи изучают способы восстановления нормальной эпигенетической активности. Одним из таких методов является редактирование цинковыми пальцами, которое может как изменять, так и контролировать гены. Среди наиболее распространенных белковых структур в организме человека цинковые пальцы могут направлять восстановление ДНК, цепляясь за ферменты, похожие на ножницы, и направляя их на вырезание дефектных сегментов из кода.
|
|
|
Точно так же цинковые пальцы также могут цепляться за факторы транскрипции и тянуть их к сегменту гена, нуждающемуся в регуляции. Настраивая эти инструкции, генные инженеры могут адаптировать активность любого гена. Однако недостатком является то, что искусственные цинковые пальцы сложно разработать для конкретной задачи. Поскольку эти белки прикрепляются к ДНК сложными группами, исследователям нужно будет определить — из бесчисленных возможных комбинаций — как каждый цинковый палец взаимодействует со своим соседом для каждого желаемого генетического изменения.
|
|
|
|
Новая технология авторов исследования под названием ZFDesign преодолевает это препятствие, используя искусственный интеллект (ИИ) для моделирования и проектирования этих взаимодействий. Модель основана на данных, полученных в результате проверки почти 50 миллиардов возможных взаимодействий цинковых пальцев с ДНК в лабораториях исследователей. Отчет об инструменте публикуется онлайн 26 января в журнале Nature Biotechnology. «Наша программа может определить правильную группу цинковых пальцев для любой модификации, делая этот тип редактирования генов быстрее, чем когда-либо прежде», — говорит ведущий автор исследования Дэвид Итикава, доктор философии, бывший аспирант NYU Langone Health.
|
|
|
|
Итикава отмечает, что редактирование с помощью цинковых пальцев предлагает потенциально более безопасную альтернативу CRISPR, ключевой технологии редактирования генов с приложениями, которые варьируются от поиска новых способов уничтожения раковых клеток до создания более питательных культур. В отличие от цинковых пальцев, полностью полученных человеком, CRISPR, который означает сгруппированные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы, полагается на бактериальные белки для взаимодействия с генетическим кодом. Эти «чужеродные» белки могут запускать системы иммунной защиты пациентов, которые могут атаковать их, как и любую другую инфекцию, и приводить к опасному воспалению.
|
|
|
|
Авторы исследования добавляют, что, помимо снижения иммунного риска, небольшой размер инструментов с цинковыми пальцами может также обеспечить более гибкие методы генной терапии по сравнению с CRISPR, предоставляя больше способов доставки инструментов к нужным клеткам пациентов. «Ускоряя разработку цинковых пальцев в сочетании с их меньшим размером, наша система прокладывает путь к использованию этих белков для одновременного управления несколькими генами», — говорит старший автор исследования Маркус Нойес, доктор философии. «В будущем этот подход может помочь исправить заболевания, имеющие множественные генетические причины, такие как болезни сердца, ожирение и многие случаи аутизма».
|
|
|
|
Чтобы протестировать код дизайна ИИ компьютера, Нойес и его команда использовали специальный цинковый палец, чтобы нарушить кодирующую последовательность гена в клетках человека. Кроме того, они построили несколько цинковых пальцев, которые успешно перепрограммировали факторы транскрипции, чтобы они связывались рядом с последовательностью целевого гена и повышали или понижали его экспрессию, демонстрируя, что их технология может использоваться для эпигенетических изменений.
|
|
|
|
Нойес, доцент кафедры биохимии и молекулярной фармакологии Нью-Йоркского университета в Лангоне, предупреждает, что цинковые пальцы, хотя и многообещающие, трудно контролировать. Поскольку они не всегда специфичны для одного гена, некоторые комбинации могут влиять на последовательности ДНК за пределами конкретной мишени, что приводит к непреднамеренным изменениям в генетическом коде. В результате, говорит Нойес, команда планирует усовершенствовать свою программу искусственного интеллекта, чтобы она могла создавать более точные группы цинковых пальцев, которые только вызывают желаемое редактирование. Нойес также является членом Института системной генетики Лангоне при Нью-Йоркском университете.
|
|
|
|
Источник
|
