Сериозен пробив: изкуствен интелект в комбинация с CRISPR осигурява изключително прецизен контрол на генната експресия
Изследователи са създали модел на изкуствен интелект, основан на надълбоко образование, който може да предсказва както „ целевата “, по този начин и „ нецелевата “ интензивност на инструмента за редактиране на гени CRISPR-Cas13 (способен да манипулира РНК). Това е същинско достижение: новата технология може както доста да понижи броя на несъответствията, по този начин и да мери интензивността на гените с невиждана акуратност.
Докато методът CRISPR-Cas9 е предопределен само за редактиране на ДНК, CRISPR-Cas13, усъвършенстваната версия на неотдавна създадения инструмент за редактиране на гени, може да се употребява за манипулиране на РНК. Като се намесва в процеса на клетъчната транскрипция, новият инструмент дава опция за по-ефективно инактивиране на целевата транскрипция, блокиране на експресията на избран ген или даже неговото премахване.
Като се насочва към РНК, Cas13 дава обещание необятен набор от приложения, като да вземем за пример избор на характерни изоформи при невродегенерация или идентифициране на некодиращи транскрипти, които модулират пролиферацията на раковите кафези или устойчивостта към химиотерапия. И като се има поради, че генетичният материал на вирусите е формиран най-вече от РНК, CRISPR Cas-13 може да даде опция за угнетяване на тяхното размножаване посредством целево разсичане.
„ Подобно на CRISPR инструментите, ориентирани към ДНК, като да вземем за пример Cas9, чакаме CRISPR инструментите, ориентирани към РНК, като Cas13, да окажат доста въздействие върху молекулярната биология и биомедицинските проучвания през идващите години “, декларира Невил Санджана, доцент по биология в Нюйоркския университет, старши учител в Нюйоркския геномен център и един от водещите създатели на новото изследване.
Но главното предизвикателство за реализирането на тези вероятности е създаването на „ насочващи “ Cas13 РНК (gRNA), които се насочват към некодиращи РНК, вирусни РНК и вещества, кодиращи характерни протеини. Както подсказва името, тези РНК служат като водачи за ензимите (в този случай Cas13), ориентирани към РНК или ДНК, като образуват комплекси с тях.
В множеството случаи тези ензимни комплекси (gRNA-Cas13) са предопределени само за транскрипционна интензивност, делеция, инсерция или трансформация. За разлика от това, прогнозирането на нецелевата интензивност – по-специално разновидностите при проникване, несъответствията и делециите – е едва проучено. Всъщност към една на всеки пет разновидности в нашето тяло е инсерция (вмъкване) или делеция. Ето за какво е доста значимо да се вземат поради тези нецелеви разновидности при използването на CRISPR технологията. Разработването на усъвършенствани gRNA реализира тази цел.
Изследователите в ново изследване, разказано в профилираното списание Nature Biotechnology, са осъществили същински пробив, като са записали интензивността на над 200 000 gRNAs. Използвайки изкуствен интелект за прогнозиране на целевата и нецелевата транскрипционна интензивност, учените са съумели да управляват CRISPR-Cas13 с изненадваща точност, като изцяло са потиснали генната експресия и отчасти са понижили нейната интензивност. Целта на този акуратен надзор е да се реализира оптималната успеваемост на редактирането на гените върху набелязаната цел и да се сведе до най-малко интензивността на други РНК, защото това може да докара до нежелани последствия за клетката.
Свръхточен надзор на генната експресия
За да тестват технологията си, откривателите първо организират серия от CRISPR „ скрининги “, ориентирани към всички РНК в човешките кафези. Генните екрани са принадлежности за установяване на функционалността на гените и за схващане на генните взаимоотношения. В проучване от 2020 година същите специалисти демонстрираха, че техниката може да се употребява за основаване на ефикасен протокол за конструиране на gRNA-Cas13. В това изследване те мерят интензивността на 200 000 gRNA, ориентирани към основни човешки гени. Този набор включва и по този начин наречените „ съвършени “ гРНК, както и нецелеви гРНК с несъответствия, проникване и заличаване.
След това по тези данни от CRISPR скрининга бе подготвен модел с надълбоко образование, наименуван TIGER (Targeted Inhibition of Gene Expression via Guide RNA Design). В този случай учените употребяват опциите на дълбокото машинно образование за обработка на доста огромни масиви от данни.
Чрез сравняване на прогнозите, направени от AI, с емпиричните проби върху човешки кафези, бе открито, че моделът е в положение да предскаже с висока степен на акуратност както целевата, по този начин и нецелевата транскрипционна интензивност. Това го прави първият CRISPR РНК модел, кадърен да предвижда и двете действия по едно и също време. С други думи, моделът с изкуствен интелект е дал опция за създаване на gRNA-Cas13 технология, която обезпечава тънък баланс сред целевото блокиране и заобикалянето на извънцелевата интензивност.
„ Важното е, че успяхме да използваме и интерпретативно машинно образование, с цел да разберем за какво моделът предвижда, че даден проводник ще работи добре или не “, споделя Дейвид Ноулс, професор в Колумбийския университет и също съавтор на проучването.
Освен това специалистите демонстрираха, че прогнозите на изкуствения разсъдък за нецелевите резултати могат да се употребяват за модулиране и даже дозиране на генната експресия. Един ген може да бъде отчасти експресиран на мечтаното равнище посредством активиране на съответната несъответстваща gRNA. Това може да вземем за пример да докара до единствено 70% от транскрипта на даден ген. Тази опция би била изключително потребна за лекуване на патологии с несъразмерен брой копия на даден ген, като да вземем за пример синдром на Даун или някои типове рак.
Екипът на NYU безусловно революционизира тази област на биомедицината и ни тласка към жъдеще, в което основаните на CRISPR лечения ще бъдат неразделна част от здравната процедура.
