Ускорение прайм-редактирования: Машинное обучение помогает разработать оптимальный вариант исправления заданного генетического дефекта
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Biotechnology, использовано машинное обучение для ускорения развития прайм-редактирования — перспективной технологии редактирования генов. В исследовании проанализированы тысячи последовательностей ДНК, введенных в геном с помощью прайм-редакторов, и полученные данные использованы для обучения алгоритма машинного обучения, позволяющего разработать оптимальный вариант исправления заданного генетического дефекта. Использование машинного обучения для оптимизации процесса разработки генетических исправлений может помочь ускорить процесс внедрения прайм-редактирования в клиническую практику.
Исследователи из Института Wellcome Sanger разработали новый инструмент для прогнозирования вероятности успешной вставки измененной последовательности ДНК в геном клетки с помощью техники, известной как прайм-редактирование. Прайм-редактирование, являющееся развитием технологии редактирования генов CRISPR-Cas9, имеет огромный потенциал для лечения генетических заболеваний человека — от рака до муковисцидоза. Однако до сих пор факторы, определяющие успех редактирования, изучены недостаточно хорошо.
В исследовании, опубликованном сегодня (16 февраля 2023 г.) в журнале Nature Biotechnology, оцениваются тысячи различных последовательностей ДНК, введенных в геном с помощью прайм-редакторов. Эти данные были использованы для обучения алгоритма машинного обучения, который поможет исследователям разработать оптимальный вариант исправления того или иного генетического дефекта, что обещает ускорить работу по внедрению прайм-редактирования в клинику.
Разработанная в 2012 году технология CRISPR-Cas9 стала первой легко программируемой технологией редактирования генов. [1] Эти «молекулярные ножницы» позволили исследователям разрезать ДНК в любой точке генома, чтобы удалить, добавить или изменить участки последовательности ДНК. Эта технология была использована для изучения того, какие гены важны для различных заболеваний, от рака до редких болезней, и для разработки методов лечения, которые исправляют или выключают вредные мутации или гены.
Базовые редакторы — это инновация, развившая CRISPR-Cas9, и их называли «молекулярными карандашами» за их способность заменять отдельные основания ДНК. Новейшие инструменты редактирования генов, созданные в 2019 году, называются прайм-редакторами. Их способность выполнять операции поиска и замены непосредственно в геноме с высокой степенью точности позволила назвать их «молекулярными текстовыми процессорами».
Конечная цель этих технологий — исправление вредных мутаций в генах людей. [2] Более 16 000 вариантов малых делеций, когда из генома удаляется небольшое количество оснований ДНК, были причинно-следственно связаны с заболеваниями. В их число входит муковисцидоз, 70% случаев которого вызваны удалением всего трех оснований ДНК. В 2022 году Т-клетки с редактированием оснований были успешно использованы для лечения лейкемии у пациента, у которого химиотерапия и пересадка костного мозга не дали результатов.
В новом исследовании ученые из Института Wellcome Sanger разработали 3604 последовательности ДНК длиной от одного до 69 оснований ДНК. Эти последовательности были введены в три различные линии человеческих клеток с использованием различных систем доставки праймеров в различных контекстах репарации ДНК. [3] Через неделю клетки были подвергнуты геномному секвенированию, чтобы определить, были ли правки успешными или нет.
Для определения общих факторов успешности каждой правки оценивалась эффективность вставки, или коэффициент успешности, каждой последовательности. Было установлено, что длина последовательности является ключевым фактором, как и тип задействованного механизма репарации ДНК.
Йонас Кёппель, первый автор исследования из Института Wellcome Sanger, сказал: «Переменных, связанных с успешным праймированием генома, очень много, но мы начинаем понимать, какие факторы повышают шансы на успех. Длина последовательности является одним из таких факторов, но все не так просто: чем длиннее последовательность, тем сложнее ее вставить. Мы также обнаружили, что один тип репарации ДНК предотвращает вставку коротких последовательностей, в то время как другой тип репарации предотвращает вставку длинных последовательностей».
Чтобы разобраться в этих данных, исследователи обратились к машинному обучению для выявления закономерностей, определяющих успешность вставки, таких как длина и тип репарации ДНК. После обучения на имеющихся данных алгоритм был протестирован на новых данных, и оказалось, что он точно предсказывает успех вставки.
Джулиана Веллер, первый автор исследования из Института Wellcome Sanger, сказала: «Проще говоря, несколько различных комбинаций трех букв ДНК могут кодировать одну и ту же аминокислоту в белке. Поэтому существуют сотни способов изменить ген, чтобы добиться одного и того же результата на уровне белка. Введя эти потенциальные варианты редактирования генов в алгоритм машинного обучения, мы создали модель, позволяющую ранжировать их по степени вероятности их срабатывания. Мы надеемся, что это позволит устранить большую часть проб и ошибок, связанных с редактированием генов, и значительно ускорить прогресс».
Следующим шагом команды будет создание моделей всех известных генетических заболеваний человека, чтобы лучше понять, можно ли их исправить с помощью редактирования прайма и каким образом. Для этого будут привлечены другие исследовательские группы Института Сэнгера и его сотрудники.
Доктор Леопольд Партс, старший автор исследования из Института Сэнгера (Wellcome Sanger Institute), сказал: «Потенциал прайм-редактирования для улучшения здоровья человека огромен, но сначала нам необходимо понять, как сделать эти правки наиболее простыми, эффективными и безопасными. Необходимо понять правила игры, в чем нам помогут данные и инструмент, полученные в результате этого исследования».
Примечания
- Более подробную информацию о CRISPR-Cas9 можно найти на сайте YourGenome.
- Наиболее продвинутым клиническим испытанием CRISPR-Cas9 является лечение серповидно-клеточной болезни. Красные кровяные тельца пациентов редактируются с целью включения гена, продуцирующего фетальный гемоглобин, который, в отличие от гемоглобина взрослого человека, не подвержен повреждающей мутации серповидноклеточной анемии. Более подробную информацию о текущих клинических испытаниях можно найти здесь.
- Все формы технологии редактирования генов полагаются на присущие клетке механизмы репарации ДНК для восстановления нитей ДНК после внесения изменений. Линии клеток человека — это колонии человеческих клеток, выращенных в лаборатории и используемых для моделирования сложных биологических систем.
Ссылка: «Sequence and DNA repair determinants of writing short sequences into the genome using prime editing» Jonas Koeppel, Juliane Weller, Elin Madli Peets, Ananth Pallaseni, Ivan Kuzmin, Uku Raudvere, Hedi Peterson, Fabio Giuseppe Liberante and Leopold Parts, 16 February 2023, Nature Biotechnology . DOI: 10.1038/s41587-023-01678-
