AI memecahkan kode genetik otak, membuka rahasia evolusioner
Para ilmuwan menggunakan pembelajaran mendalam untuk menganalisis dan membandingkan regulasi gen di berbagai jenis sel pada otak manusia dan ayam.
Sebuah studi terbaru yang diterbitkan di Sains oleh tim peneliti Belgia menyelidiki bagaimana sakelar genetik yang mengatur aktivitas gen menentukan jenis sel otak di berbagai jenis.
Menggunakan model pembelajaran mendalam yang dilatih pada data otak dari manusia, tikus, dan ayam, para peneliti menemukan bahwa sementara beberapa jenis sel tetap sangat terkonservasi antara burung dan mamalia selama jutaan tahun evolusi, yang lain telah menyimpang secara signifikan. Temuan ini menawarkan wawasan baru tentang evolusi otak dan menyediakan alat yang berharga untuk mempelajari bagaimana regulasi gen mempengaruhi perkembangan jenis sel di seluruh spesies dan di berbagai negara penyakit.
Otak kita, dan dengan ekstensi seluruh tubuh kita, terdiri dari berbagai jenis sel. Sementara mereka berbagi hal yang sama DNAsemua jenis sel ini memiliki bentuk dan fungsinya sendiri. Apa yang membuat setiap jenis sel berbeda adalah teka -teki kompleks yang telah dicoba oleh para peneliti selama beberapa dekade dari sekuens DNA pendek yang bertindak seperti sakelar, mengendalikan gen mana yang dihidupkan atau dimatikan. Regulasi sakelar yang disesuaikan ini memastikan bahwa setiap jenis sel otak menggunakan instruksi genetik yang tepat dari genom untuk melakukan peran uniknya. Para ilmuwan merujuk pada pola unik dari sakelar genetik ini sebagai kode regulasi.
AI untuk memecahkan kode
Prof. Stein Aerts dan timnya di Vib.ai dan Pusat Penelitian Otak & Penyakit VIB-KU untuk Studi Penelitian Otak & Penyakit Prinsip-prinsip dasar dari kode peraturan ini, dan bagaimana hal itu dapat memengaruhi penyakit seperti kanker atau gangguan otak. Mereka mengembangkan metode pembelajaran yang mendalam untuk membantu memahami sejumlah besar informasi tentang regulasi gen yang mereka kumpulkan dari ribuan dan ribuan sel individu.
“Model pembelajaran dalam yang bekerja dengan kode urutan DNA telah sangat membantu kami untuk mengidentifikasi mekanisme pengaturan di berbagai jenis sel,” jelas AERTS. “Sekarang, kami ingin mengeksplorasi apakah kode peraturan ini juga dapat memberi tahu kami tentang bagaimana jenis sel ini dilestarikan di seluruh spesies.”
Salah satu contoh di mana pertanyaan seperti itu sangat relevan ada di otak. Meskipun lintasan perkembangan bersama, otak mamalia dan burung menampilkan neuroanatomi yang sangat berbeda. Aerts dan timnya sekarang telah menerapkan model pembelajaran mendalam untuk menilai apakah perbedaan dan kesamaan yang ada tercermin dalam kode peraturan bersama atau divergen.
Alat untuk mempelajari evolusi
Nikolai Hecker dan Niklas Kempynck, masing -masing mahasiswa postdoc dan PhD di laboratorium AERTS, dikembangkan dan diimplementasikan Pembelajaran Mesin Model untuk mengkarakterisasi dan membandingkan berbagai jenis sel di seluruh otak manusia, tikus, dan ayam, mencakup sekitar 320 juta tahun evolusi. Tetapi sebelum mereka benar -benar dapat membandingkan, mereka pertama -tama harus lebih memahami komposisi jenis sel dari otak ayam, sehingga mereka menciptakan atlas transkriptomik yang komprehensif.
“Studi kami menunjukkan bagaimana kami dapat menggunakan pembelajaran mendalam untuk mengkarakterisasi dan membandingkan berbagai jenis sel berdasarkan kode pengaturan mereka,” jelas Hecker. “Kami dapat menggunakan kode -kode ini untuk membandingkan genom dari spesies yang berbeda, mengidentifikasi kode regulasi mana yang telah diawetkan secara evolusioner, dan mendapatkan wawasan tentang bagaimana jenis sel telah berkembang.”
Tim menemukan bahwa sementara beberapa kode jenis sel pengatur sangat dilestarikan antara burung dan mamalia, yang lain telah berevolusi secara berbeda. Khususnya, kode regulasi untuk neuron burung tertentu menyerupai neuron neuron lapis dalam di neokorteks mamalia.
“Melihat langsung pada kode peraturan menghadirkan keuntungan yang signifikan,” tambah Kempynck, “Ini dapat memberi tahu kami prinsip -prinsip pengaturan mana yang dibagi di seluruh spesies, bahkan jika urutan DNA itu sendiri telah berubah.”
Alat untuk mempelajari penyakit
Informasi peraturan ini berguna di luar pemahaman evolusi. Dalam pekerjaan sebelumnya, Aerts dan timnya sudah memverifikasi bahwa kode regulasi untuk melanoma (kanker kulit) keadaan sel dilestarikan antara mamalia dan ikan zebra. Mereka juga mengidentifikasi varian dalam genom pasien melanoma. Model yang disajikan dalam penelitian ini pada jenis sel otak menyediakan alat yang berguna untuk mempelajari dampak varian genomik dan hubungannya dengan sifat dan gangguan mental atau kognitif.
AERTS: “Pada akhirnya, model yang mempelajari kode regulasi genom memiliki potensi untuk menyaring genom dan menyelidiki ada atau tidak adanya jenis sel spesifik atau keadaan sel pada spesies apa pun. Ini akan menjadi alat yang kuat untuk belajar dan lebih memahami penyakit.”
Ke kebun binatang
Aerts dan timnya sudah menerapkan model mereka di kedua front, ia mengatakan: “Bekerja sama dengan Pusat Penyelamat Sains dan Margasatwa Kebun Binatang, kami sekarang memperluas pemodelan evolusi kami ke lebih banyak otak hewan: berbagai jenis ikan ke parkir dan capibaras yang berbeda.
Reference: “Enhancer-driven cell type comparison reveals similarities between the mammalian and bird pallium” by Nikolai Hecker, Niklas Kempynck, David Mauduit, Darina Abaffyová, Roel Vandepoel, Sam Dieltiens, Lars Borm, Ioannis Sarropoulos, Carmen Bravo González-Blas, Julie De Man, Kristofer Davie, Elke Leysen, Jeroen Vandensteen, Rani Moors, Gert Hulselmans, Lynette Lim, Joris de Wit, Valerie Christiaens, Suresh Poovathingal dan Stein Aerts, 14 Februari 2025, Sains.
Doi: 10.1126/science.adp3957
