ژنوم انسانی مکانی است که گم شدن در آن آسان است. تنها ۲ درصد از ۳ میلیارد حرف آن پروتئینها را کدگذاری میکنند و بقیه بسیار دشوار برای رمزگشایی است. یک «اطلس» تولید شده با هوش مصنوعی از ژنوم انسان که امروز توسط گوگل دیپمایند رونمایی شد، قصد دارد دانشمندان را در کد بیولوژیکی ما راهنمایی کند.
یکی از رایجترین انواع تنوع در ژنوم انسان، تغییرات در نوکلئوتیدها یا حروف منفرد است که به تفاوتهای بین افراد از جمله ریسک بیماری کمک میکنند؛ برخی تغییرات تکحرفی نادر میتوانند مستقیماً باعث بیماری شوند.
اطلس آلفاژنوم اثرات ۹ میلیارد تغییر تکحرفی DNA در ژنوم انسان — تمام جهشهای ممکن — را با استفاده از پیشبینیهای تولید شده توسط مدل هوش مصنوعی آلفاژنوم که سال گذشته توسط دیپمایند در لندن منتشر شد، ترسیم میکند. این اطلس برای استفاده غیرتجاری به صورت رایگان در دسترس است.
به گفته محققان، این اطلس میتواند به تشخیص بیماریهای نادر و بینام کمک کند و بیولوژی پنهان بیماریهای شایع و ویژگیهای بیولوژیکی را آشکار سازد. حتی ممکن است برخی از قوانین پنهانی که توالیهای DNA فعالیت ژنها را کنترل میکنند را فاش کند.
اما مارتین کرشر، بیوانفورماتیست در مرکز مدولار دلبروک در برلین، اظهار داشت: «این جایگزین آزمایشها نخواهد بود یا در مورد تشخیص بیماری، جزئیات موارد فردی را در نظر نخواهد گرفت.» او افزود: «این راهی مفید و سخاوتمندانه برای افزایش مقیاس دسترسی به یک مدل قوی است.»
دسترسی فوری
دیوای هاریهاران، مدیر محصول دیپمایند، گفت: از زمان انتشار آلفاژنوم، حدود ۹۰۰۰ محقق از طریق رابط برنامهنویسی خودکار (API) به پیشبینیهای مدل دسترسی پیدا کردهاند. اما انجام این کار نیازمند نوشتن کد نرمافزار است — مانعی برای برخی زیستشناسان، به گفته او.
برای ایجاد اطلس آلفاژنوم، دیپمایند پیشبینیهایی را برای هر یک از ۳ تغییر احتمالی نوکلئوتیدی در تمام حروف DNA در ژنوم انسان محاسبه کرد — دادهای به ارزش ۱ پتابایت. همچنین بیش از ۱۰۰ میلیون درج یا حذف کوتاه مشاهده شده در ژنومهای انسانی را ثبت میکند. به گفته دیپمایند، این تلاش از پایگاه داده آلفافولد (AlphaFold) دیپمایند الهام گرفته شده که شامل بیش از ۲۰۰ میلیون پیشبینی ساختار پروتئینی است و میلیونها کاربر از آن بازدید کردهاند.
زیگا آوسک، سرپرست تیم آلفاژنوم، گفت: «اگر اصطکاک را حذف کنید، کنجکاوی مردم برای غرق شدن در موضوع نیز افزایش مییابد.» او افزود: «دسترسی فوری چیزی است که جادویی به نظر میرسد.»
این اطلس، مانند آلفاژنوم، هزاران پیشبینی درباره اثرات بالقوه مختلف یک تغییر ارائه میدهد؛ از نحوه تأثیر آن بر بافتهایی که ژن مجاور در آنها بیان میشود تا شکل DNA تا خورده که کروماتین نامیده میشود. اما هاریهاران گفت که درخواست مکرر کاربران API سادگی بود: «آیا میتوانید یک نمره واحد به من بدهید که به من کمک کند بفهمم آیا باید به این تغییر اهمیت دهم یا عمیقتر بررسی کنم؟»
بنابراین برای اطلس، تیم آوسک معیاری از اثر پیشبینیشده تغییر بر بیولوژی توسعه داد، نمره تأثیر تغییر آلفاژنوم (AVI). دیپمایند و محققان دانشگاهی امروز در یک پیشچاپ گزارش کردند که این عدد واحد، جهشهای بیماریزا را از تغییرات بیضرر در یک پایگاه داده ژنومیک بالینی به طور قابل اعتمادی تشخیص میداد. نمره AVI و سایر پیشبینیها در اطلس همچنین به تیمی در مؤسسه براد در کمبریج، ماساچوست، کمک کرد تا یک تغییر غیرکدکننده را به عنوان علت احتمالی یک مورد صرع شدید اولویتبندی کنند.
مافالدا دیاز و جاناتان فریزر، زیستشناسان محاسباتی در مرکز تنظیم ژنوم در بارسلون، اسپانیا، در ایمیلی به Nature نوشتند: «محققان بیماریهای نادر معمولاً به مدلهای کمتقاضاتر محاسباتی برای تفسیر چنین تغییراتی متکی بودهاند، زیرا اعمال مدلهایی مانند آلفاژنوم بر کل ژنوم انسان برای اکثر محققان غیرممکن است. با حذف آن مانع محاسباتی، اطلس باید منبع ارزشمندی باشد.»
موتیفهای DNA
آوسک به ویژه هیجانزده است که از اطلس برای تلاش جهت کشف عملکرد قطعات کوتاه DNA، به نام موتیفها، که در سراسر ژنوم انسان یافت میشوند، استفاده کند. دانشمندان میدانند که برخی از آنها به کنترل تولید RNA پیامرسان (mRNA) که دستورالعملهای پروتئینهای منفرد را حمل میکنند، کمک میکنند. برخی دیگر پروتئینهای فاکتور رونویسی را جذب میکنند که بیان ژنهای منفرد را تنظیم میکنند، اما تصویر کامل نیست.
با استفاده از پیشبینیهای اطلس به عنوان راهنما، محققان هزاران موتیف DNA را در سراسر ژنوم انسان نقشهبرداری کردند و سپس نقشهایی را که این موتیفها ممکن است در انواع مختلف سلولی داشته باشند — فعال کردن ژنها، سرکوب آنها یا تغییر دسترسیپذیری DNA — استنتاج کردند. جولیا زیتلینگر، زیستشناس مولکولی در مؤسسه استاورز برای تحقیقات پزشکی در کانزاس سیتی، میسوری، و همنویسنده پیشچاپ، در یک نشست خبری گفت: «این کار به ما یک فرهنگ لغت جستجوپذیر برای DNA غیرکدکننده میدهد.»