Исследователи разработали модель искусственного интеллекта на основе глубокого обучения, которая может предсказывать как «целевую», так и «нецелевую» активность инструмента редактирования генов CRISPR-Cas13 (способного манипулировать РНК). Это настоящее достижение: методика позволяет не только значительно уменьшить количество несоответствий, но и измерять активность гена с беспрецедентной точностью.
В то время как CRISPR-Cas9 предназначен исключительно для редактирования ДНК, CRISPR-Cas13, улучшенная версия недавно разработанного инструмента редактирования генов, может использоваться для манипулирования РНК. Нарушая процесс клеточной транскрипции, новый инструмент позволяет более эффективно инактивировать целевую транскрипцию, блокируя экспрессию определенного гена или удаляя его.
Нацеливая РНК, Cas13 обещает широкий спектр применений, таких как выбор специфических изоформ при нейродегенерации или идентификация некодирующих транскриптов, которые модулируют пролиферацию раковых клеток или резистентность к химиотерапии. А учитывая, что генетический материал вирусов состоит в основном из РНК, CRISPR Cas-13 может предотвращать их размножение путем целенаправленного расщепления.
«Подобно инструментам CRISPR, нацеленным на ДНК, таким как Cas9, мы ожидаем, что инструменты CRISPR, нацеленные на РНК, такие как Cas13, окажут значительное влияние на молекулярную биологию и биомедицинские приложения в ближайшие годы», — сказал Невилл Санджана, доцент биологии. Нью-Йоркский университет, старший преподаватель Нью-Йоркского центра генома и один из ведущих авторов нового исследования.
Однако основной проблемой в реализации этих обещаний является разработка направляющей РНК Cas13 (gRNA), которая нацелена на некодирующую РНК, вирусную РНК и транскрипты, кодирующие специфические белки. Как следует из названия, эти РНК служат проводниками для ферментов (в данном случае Cas13), которые нацелены на РНК или ДНК, образуя с ними комплексы.
В большинстве случаев эти ферментные комплексы (гРНК-Cas13) предназначены исключительно для транскрипционной активности, удаления, вставки или модификации. Напротив, предсказание нецелевой активности, особенно инсерционных мутаций, несоответствий и делеций, мало изучено. На самом деле примерно каждая пятая мутация в нашем организме представляет собой вставку или делецию. Поэтому очень важно учитывать эти нецелевые мутации при использовании технологии CRISPR. Разработка оптимизированных гРНК позволяет достичь этой цели.
Исследователи в новом исследовании, опубликованном в специализированном журнале Nature Biotechnology, совершили настоящий прорыв, зафиксировав активность более 200 000 гРНК. Предсказывая активность целевой и нецелевой транскрипции с помощью искусственного интеллекта, ученые смогли с невероятной точностью контролировать CRISPR-Cas13, полностью подавляя экспрессию гена или частично снижая его активность.
Обратите внимание: Пилоты будут контролировать до трех самолетов одновременно … только лишь с помощью мыслей.
Цель такого точного контроля — максимизировать эффективность редактирования генов на намеченной мишени и минимизировать активность других РНК, так как это может привести к нежелательным последствиям для клетки.Сверхточный контроль экспрессии генов
Чтобы проверить свою технологию, исследователи сначала запустили серию «экранов» CRISPR, нацеленных на все РНК в клетках человека. Генные скрининги — это инструменты для определения функции гена и понимания его взаимодействия. В , датированный 2020 г., те же специалисты показали, что эту методику можно использовать для создания эффективного протокола конструирования gRNA-Cas13. В этом исследовании они измерили активность 200 000 гРНК, нацеленных на ключевые гены человека. Этот набор включал так называемые «идеальные» гРНК, а также нецелевые гРНК с несовпадениями, вставками и делециями.
Затем на этих данных скрининга CRISPR была обучена модель глубокого обучения под названием TIGER (целевое ингибирование экспрессии генов с помощью дизайна направляющей РНК). Исследователи используют возможности глубокого машинного обучения для обработки очень больших наборов данных.
Путем сравнения прогнозов ИИ с эмпирическими тестами на клетках человека было обнаружено, что модель способна предсказывать как целевую, так и нецелевую транскрипционную активность с высокой степенью точности. Это делает ее первой моделью РНК CRISPR, способной предсказывать обе активности одновременно. Другими словами, модель ИИ позволила разработать гРНК Cas13, которые имеют тонкий баланс между ингибированием на мишени и обходом вне мишени.
«Важно то, что мы также смогли использовать интерпретирующее машинное обучение, чтобы понять, почему модель предсказывает, будет ли конкретный дирижер работать хорошо или нет», — говорит Дэвид Ноулз, профессор и соавтор Колумбийского университета .
Кроме того, эксперты показали, что предсказания ИИ нецелевых эффектов можно использовать для модуляции или дозирования экспрессии генов. Ген может быть частично экспрессирован на желаемом уровне путем активации соответствующей несовпадающей гРНК. Это может привести, например, к получению только 70% транскрипции конкретного гена. Эта опция будет особенно полезна для лечения патологий с избыточным числом копий гена, таких как синдром Дауна или некоторые виды рака.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.