人工知能によるDNAスイッチの設計：精密な遺伝子制御の新時代
ジャクソン研究所、MITとハーバードのブロード研究所、およびイェール大学の研究者らは、人工知能を利用して、さまざまな細胞タイプで遺伝子の発現を精密に制御できる数千もの新しいDNAスイッチを設計しました。この新しいアプローチは、人間の健康と医学研究のために、これまで不可能であった方法で、いつどこで遺伝子が発現するかを制御する可能性を開きます。
「これらの合成的に設計された要素の特別な点は、それらが設計された標的細胞型に対して顕著な特異性を示すことです」と、ジャクソン研究所の准教授であり、この研究の共同シニア著者であるRyan Tewhey博士は述べています。「これにより、体の他の部分に影響を与えることなく、一つの組織だけで遺伝子の発現を上げ下げする機会が生まれます。」
近年、遺伝子編集技術やその他の遺伝子療法アプローチにより、科学者は生きた細胞内の遺伝子を改変する能力を得ました。しかし、生物全体ではなく特定の細胞タイプまたは組織でのみ遺伝子に影響を与えることは困難でした。これは、遺伝子の発現と抑制を制御するシス調節エレメント（CRE）と呼ばれるDNAスイッチの理解が進行中の課題であるためです。
2023年10月23日にNature誌のオンライン版に掲載された論文で、Tewheyと彼の共同研究者らは、新しい、これまでにない合成CREを設計しただけでなく、脳、肝臓、または血液細胞で遺伝子を活性化し、他の細胞タイプではそれらの遺伝子をオンにしないことに成功しました。
組織および時間特異的指令 生物体内のすべての細胞は同じ遺伝子を含んでいますが、すべての遺伝子がすべての細胞またはすべての時点で必要とされるわけではありません。CREは、例えば、脳に必要な遺伝子が皮膚細胞によって使用されないように、または初期の発達中に必要な遺伝子が成人で活性化されないようにすることを保証します。CRE自体は遺伝子の一部ではなく、別個の調節DNA配列であり、しばしば制御する遺伝子の近くに位置しています。
科学者たちは、ヒトゲノムには数千もの異なるCREが存在し、それぞれがわずかに異なる役割を果たしていることを知っています。しかし、CREの文法は解読が難しく、「各CREが何を制御するかを制御する明確なルールはない」と、ジャクソン研究所のTewheyラボの計算科学者であり、新しい論文の共同第一著者であるRodrigo Castro博士は説明します。「これは、ヒトの体内の特定の細胞タイプにのみ影響を与える遺伝子療法を設計する私たちの能力を制限します。」
「このプロジェクトは基本的に、『これらの調節要素のコードを読み書きする方法を学ぶことができるか？』という質問を投げかけています」と、イェール大学の遺伝学助教授であり、この研究のシニア著者の一人であるSteven Reilly博士は述べています。「言語の観点から考えると、これらの要素の文法と構文はほとんど理解されていません。そこで、私たちは、私たち自身ができるよりも複雑なコードを学習できる機械学習手法を構築しようとしました。」
深層学習と呼ばれる人工知能（AI）の一形態を使用して、グループは、実験室で3種類の細胞（血液、肝臓、脳）のCRE活性について測定したヒトゲノムからの数十万のDNA配列を使用してモデルを訓練しました。AIモデルにより、研究者はほぼ無限の可能性のある組み合わせから任意の配列の活性を予測することができました。これらの予測を分析することにより、研究者はDNA内の新しいパターンを発見し、DNA内のCRE配列の文法がRNAの生成量にどのように影響するかを学びました。これは遺伝子の活性化量の代理指標です。
このチームは、研究の共同シニア著者であり、ブロード研究所のコア研究所メンバーおよびハーバード大学の教授であるPardis Sabeti博士を含む、ヒトの肝細胞で特定の遺伝子を活性化させ、同じ遺伝子をヒトの血液細胞または脳細胞で活性化させないなど、要求された特性を持つ完全に新しいCREを効率的に設計するために、AIモデルを使用したCODA（Computational Optimization of DNA Activity）と呼ばれるプラットフォームを開発しました。実験データを使用して最初に計算モデルを構築し、次に検証するという「ウェット」と「ドライ」の調査の反復的な組み合わせを通じて、研究者は各CREの生物学的影響を予測するプログラムの能力を洗練させ、自然界ではこれまで見られなかった特定のCREの設計を可能にしました。
「天然のCREは豊富ですが、可能な遺伝子要素のごく一部を表しており、その機能は自然淘汰によって制限されています」と、Sabetiラボのポスドク研究員であり、研究の共同第一著者であるSager Gosai博士は述べています。「これらのAIツールは、生物製造や治療法など、進化の圧力範囲外の新しい用途のために遺伝子発現を精密に調整する遺伝子スイッチを設計する上で、大きな可能性を秘めています。」
臓器の選択 Tewheyと彼の同僚は、新しいAI設計の合成CREを細胞に加え、それらが目的の細胞タイプで遺伝子をどれだけうまく活性化するか、および他の細胞での遺伝子発現を避けるのがどれだけ優れているかを測定することによって、それらをテストしました。新しいCREは、細胞タイプに関連する自然発生するCREよりもさらに細胞タイプ特異的であることがわかりました。
「合成CREは自然な要素からあまりにも意味的に逸脱していたため、その有効性の予測はありそうに思えませんでした」とGosaiは言いました。「当初、私たちは多くの配列が生きている細胞内で誤動作すると予想していました。」
「CODAがこれらの要素を設計するのにどれほど優れていたかは、私たちにとって驚くべき驚きでした」とCastroは言いました。
Tewheyと彼の同僚は、合成CREが自然発生するCREよりも優れている理由を研究し、細胞特異的合成CREは標的細胞タイプで遺伝子を発現させる配列と、他の細胞タイプで遺伝子を抑制またはオフにする配列の組み合わせを含んでいることを発見しました。
最後に、グループはいくつかの合成CRE配列をゼブラフィッシュとマウスでテストし、良好な結果を得ました。たとえば、あるCREは、ゼブラフィッシュの胚の肝臓で蛍光タンパク質を活性化できましたが、魚の他の領域では活性化できませんでした。
「この技術は、事前に定義された機能を持つ新しい調節要素の書き込みへの道を切り開きます」とTewheyは述べています。「このようなツールは基礎研究に価値がありますが、特定の細胞タイプで遺伝子発現を制御するためにこれらの要素を使用できる生物医学的影響も大きくあります。」
引用元
要約：
研究者たちは人工知能を使って、異なる細胞タイプにおける遺伝子の発現を正確に制御できる新しいDNAスイッチを数千種類設計しました。彼らの新しいアプローチにより、これまで不可能だった方法で、体内で遺伝子の発現をいつ、どこで制御できる可能性が開かれました。これは人間の健康や医療研究にとって大きな利点となります。
以下、海外の反応
- 名無しの外国人
すてきな部分：「これによって、身体の他の部分に影響を与えることなく、たった一つの組織で遺伝子の発現を上げたり下げたりする機会が生まれる」 - 名無しの外国人
>>1
私の理解が正しければ… 癌細胞を非癌細胞に変えて自滅させるために使えないだろうか？ - 名無しの外国人
>>2
私はそう読んでいる。重要なターゲットは、悪性脳腫瘍のような治療が最も困難な癌かもしれませんね。 - 名無しの外国人
>>3
あるいは、毛が生えない細胞から生える細胞へ？ - 名無しの外国人
>>2
これは興味深い研究ですが、まだ十分とは言えません。たった3つの細胞株しか調べられておらず、遺伝子調節要素の挙動が生涯を通じて、また個体間でどのように変化するかを知るためには、すべての細胞株を対象に、生体内での実験を含む多様な実験条件下で検討する必要があります。それがなければ、配列が実際に1つの細胞タイプと特定の条件に特化していると推測しているに過ぎません。また、細胞を傷つけたり干渉することなく遺伝子発現データを記録できる方法が必要であり、それを体内のあらゆる場所で一度に行う必要があります。 - 名無しの外国人
>>5
また、これほど大きな遺伝子を生体の動物に挿入する方法はまだわかっていません。この研究ではトランスジェニックマウスを用い、プラスミドで編集を行いましたが、これは前核接合子にしか効果がありません。非コードDNAの機能を理解するための進展を示す興味深い研究ではありますが、実用的な応用にはまだほど遠い状況です。 - 名無しの外国人
うーん、頭じゃなくてケツとか体全体に毛が生えるDNAを全部消してくれ。 - 名無しの外国人
>>7
これには同意 - 名無しの外国人
これが事実なら、本当にすばらしい - 名無しの外国人
もし本当なら驚きだが、おそらくこれが治療のために人々に使われるのを見るまでには、最低でも10年はかかるだろうし、それは楽観的な見方だ（少なくとも現在の進歩の速度では）。
このようなものがメンタルヘルスに使われるのを見たいものだ。不安、うつ、痛みなどに強く関連する遺伝子多型がある。 - 名無しの外国人
運動能力が高くて、頭も良くて、器用になりたいな。 - 名無しの外国人
>>11
もっと昼寝をして、2030年代まで待ちな - 名無しの外国人
バカ遺伝子をオフにできるのか？友達のために聞いてるんだけど… - 名無しの外国人
もう終わりだ - 名無しの外国人
>>14
どういう意味だ？ - 名無しの外国人
>>15
人類1.0はもはや時代遅れだ。 - 名無しの外国人
>>16
これがすぐに有益なものになるとは思えない。 - 名無しの外国人
>>17
少なくとも世間一般が知る限りはね。 - 名無しの外国人
生物学的に異なる社会階級が生まれる？🫠 - 名無しの外国人
にきび治療などには最適だろう。 - 名無しの外国人
いつになったら腹回り太さを調整できる？
redditの『AIが設計したDNAスイッチで遺伝子のオン・オフを切り替える。「この新しい方法は、特定の組織における遺伝子の正確な活性化や抑制を可能にすることで、遺伝子治療やバイオテクノロジーに革命をもたらす可能性がある」』より
翻訳元
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