Сериозен пробив: изкуствен интелект в комбинация с CRISPR осигурява изключително прецизен контрол на генната експресия

Изследователи са разработили модел на изкуствен интелект, базиран на дълбоко обучение, който може да предсказва както „целевата“, така и „нецелевата“ активност на инструмента за редактиране на гени CRISPR-Cas13 (способен да манипулира РНК). Това е истинско постижение: новата технология може както значително да намали броя на несъответствията, така и да измерва активността на гените с безпрецедентна точност.

Докато методът CRISPR-Cas9 е предназначен единствено за редактиране на ДНК, CRISPR-Cas13, подобрената версия на наскоро разработения инструмент за редактиране на гени, може да се използва за манипулиране на РНК. Като се намесва в процеса на клетъчната транскрипция, новият инструмент дава възможност за по-ефективно инактивиране на целевата транскрипция, блокиране на експресията на определен ген или дори неговото отстраняване.

Като се насочва към РНК, Cas13 обещава широк спектър от приложения, като например избор на специфични изоформи при невродегенерация или идентифициране на некодиращи транскрипти, които модулират пролиферацията на раковите клетки или устойчивостта към химиотерапия. И като се има предвид, че генетичният материал на вирусите е съставен предимно от РНК, CRISPR Cas-13 може да даде възможност за потискане на тяхното размножаване чрез целево разрязване.

„Подобно на CRISPR инструментите, насочени към ДНК, като например Cas9, очакваме CRISPR инструментите, насочени към РНК, като Cas13, да окажат значително влияние върху молекулярната биология и биомедицинските изследвания през следващите години“, заявява Невил Санджана, доцент по биология в Нюйоркския университет, старши преподавател в Нюйоркския геномен център и един от водещите автори на новото проучване.

Но основното предизвикателство за реализирането на тези перспективи е разработването на „насочващи“ Cas13 РНК (gRNA), които се насочват към некодиращи РНК, вирусни РНК и субстанции, кодиращи специфични протеини. Както подсказва името, тези РНК служат като водачи за ензимите (в този случай Cas13), насочени към РНК или ДНК, като образуват комплекси с тях.

В повечето случаи тези ензимни комплекси (gRNA-Cas13) са предназначени единствено за транскрипционна активност, делеция, инсерция или модификация. За разлика от това, прогнозирането на нецелевата активност – по-специално мутациите при вмъкване, несъответствията и делециите – е слабо проучено. Всъщност около една на всеки пет мутации в нашето тяло е инсерция (вмъкване) или делеция. Ето защо е много важно да се вземат предвид тези нецелеви мутации при прилагането на CRISPR технологията. Разработването на оптимизирани gRNA постига тази цел.

Изследователите в ново проучване, описано в специализираното списание Nature Biotechnology, са осъществили истински пробив, като са регистрирали активността на над 200 000 gRNAs. Използвайки изкуствен интелект за прогнозиране на целевата и нецелевата транскрипционна активност, учените са успели да контролират CRISPR-Cas13 с изненадваща прецизност, като напълно са потиснали генната експресия и частично са намалили нейната активност. Целта на този прецизен контрол е да се постигне максимална ефективност на редактирането на гените върху набелязаната цел и да се сведе до минимум активността на други РНК, тъй като това може да доведе до нежелани последици за клетката.

Свръхточен контрол на генната експресия

За да изпробват технологията си, изследователите първо провеждат серия от CRISPR „скрининги“, насочени към всички РНК в човешките клетки. Генните екрани са инструменти за определяне на функцията на гените и за разбиране на генните взаимодействия. В изследване от 2020 г. същите експерти демонстрираха, че техниката може да се използва за създаване на ефективен протокол за конструиране на gRNA-Cas13. В това проучване те измерват активността на 200 000 gRNA, насочени към ключови човешки гени. Този набор включва и така наречените „перфектни“ гРНК, както и нецелеви гРНК с несъответствия, вмъкване и изтриване.

След това по тези данни от CRISPR скрининга бе обучен модел с дълбоко обучение, наречен TIGER (Targeted Inhibition of Gene Expression via Guide RNA Design). В този случай учените използват възможностите на дълбокото машинно обучение за обработка на много големи масиви от данни.

Чрез сравняване на прогнозите, направени от AI, с емпиричните тестове върху човешки клетки, бе установено, че моделът е в състояние да предскаже с висока степен на точност както целевата, така и нецелевата транскрипционна активност. Това го прави първият CRISPR РНК модел, способен да прогнозира и двете дейности едновременно. С други думи, моделът с изкуствен интелект е дал възможност за разработване на gRNA-Cas13 технология, която осигурява фин баланс между целевото блокиране и заобикалянето на извънцелевата активност.

„Важното е, че успяхме да използваме и интерпретативно машинно обучение, за да разберем защо моделът прогнозира, че даден проводник ще работи добре или не“, казва Дейвид Ноулс, професор в Колумбийския университет и също съавтор на изследването.

Освен това експертите демонстрираха, че прогнозите на изкуствения интелект за нецелевите ефекти могат да се използват за модулиране и дори дозиране на генната експресия. Един ген може да бъде частично експресиран на желаното ниво чрез активиране на съответната несъответстваща gRNA. Това може например да доведе до само 70% от транскрипта на даден ген. Тази възможност би била особено полезна за лечение на патологии с прекомерен брой копия на даден ген, като например синдром на Даун или някои видове рак.

Екипът на NYU буквално революционизира тази област на биомедицината и ни тласка към жъдеще, в което базираните на CRISPR терапии ще бъдат неразделна част от медицинската практика.