|
Эволюция элементов генетического контроля в мозге
|
|
|
|
Искусственный интеллект позволяет проследить эволюцию элементов генетического контроля в развивающемся мозжечке млекопитающих. Международная исследовательская группа, возглавляемая биологами из Гейдельбергского университета, а также Фламандского института биотехнологий и Университета Левена (Бельгия), в настоящее время разработала передовые модели искусственного интеллекта, которые могут предсказывать активность этих элементов исключительно на основе последовательности их ДНК. Используя эти модели, ученые смогли проследить эволюционные изменения в системах управления, а также выявить те, которые характерны для человеческой линии. Работа опубликована в журнале Science.
|
|
|
|
Элементы генетического контроля - это последовательности ДНК, которые определяют, где и когда включаются гены. Изменения в активности этих элементов могут привести к эволюционным новшествам, таким как расширение мозга. Одной из областей мозга, которая заметно расширилась в ходе эволюции человека, является мозжечок, который, помимо своей роли в движении и поддержании равновесия, также участвует в познании, эмоциях и речи.
|
|
|
|
"Проследить эволюцию элементов генетического контроля долгое время было сложной задачей из-за их быстрого эволюционного изменения и нашего ограниченного понимания того, как их активность кодируется в последовательности ДНК", - объясняет профессор Хенрик Кессманн, руководитель исследовательской группы Центра молекулярной биологии Гейдельбергского университета (ZMBH).
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, исследователи использовали достижения в области искусственного интеллекта.
|
|
|
|
"Специализированные инструменты для анализа всеобъемлющих и сложных наборов данных на основе искусственного интеллекта в науках о жизни позволили нам расшифровать грамматику последовательностей и, следовательно, генетически закодированные профили активности этих управляющих элементов", - утверждает профессор доктор Штейн Аэртс (Stein Aerts), специалист по вычислительной биологии во Фламандском институте биотехнологий и Университете Левена, который является соавтором исследования.руководил исследованиями совместно с проф. Кессманн.
|
|
|
|
Исследователи использовали современные технологии секвенирования, чтобы составить карту активности этих элементов в отдельных клетках развивающегося мозжечка человека, бонобо, макак, мартышек, мышей и опоссумов. Используя этот уникальный набор данных, команда обучила модели на основе машинного обучения, чтобы они могли прогнозировать активность управляющих элементов непосредственно на основе соответствующей последовательности ДНК. Эти модели искусственного интеллекта смогли не только смоделировать активность этих элементов у шести изученных видов, но и точно предсказать активность у других млекопитающих.
|
|
|
|
"Это свидетельствует о том, что правила последовательности, которые определяют элементы генетического контроля в типах клеток мозжечка, были в высшей степени консервативны на протяжении всей эволюции млекопитающих", - объясняет доктор Иоаннис Сарропулос, бывший докторант университета проф. Группа Кессманна и соавтор первого исследования вместе с доктором Мари Сепп, бывшим постдоком лаборатории Кессманна, и докторантом Тецуей Ямадой.
|
|
|
|
Основываясь на этих результатах, ученые использовали способность моделей искусственного интеллекта распознавать правила сохранения последовательности для прогнозирования активности управляющих элементов у 240 видов млекопитающих. Для каждого элемента человеческого организма исследователям удалось определить, активна ли соответствующая последовательность у других млекопитающих. Это позволило им реконструировать эволюционную историю регуляторных программ человека с высоким разрешением и выявить те из них, которые, вероятно, способствовали ключевым эволюционным инновациям в мозжечке человека.
|
|
|
|
Например, они обнаружили новый управляющий элемент рядом с геном THRB, который кодирует рецептор гормонов щитовидной железы, обнаруженный у всех позвоночных. Этот новый элемент позволил этому гену также функционировать в стволовых клетках мозжечка.
|
|
|
|
По словам профессора Дж. Кессманн, это могло способствовать эволюционному расширению человеческого мозжечка.
|
|
|
|
"То, что эволюционно древний ген может быть перепрофилирован на новые функции, является ключевым механизмом, с помощью которого эволюция стимулирует инновации", - подчеркивает гейдельбергский молекулярный биолог.
|
|
|
|
В дополнение к командам из Гейдельберга и Левена, в исследовании приняли участие исследователи из Геттингена и Лейпцига, а также Венгрии и Соединенного Королевства.
|
|
|
|
Источник
|
