Voor iedereen die zich afvraagt hoe ziekten als kanker op moleculair niveau ontstaan, is er nieuw fundamenteel inzicht. Wetenschappers van de University of California San Diego hebben met behulp van kunstmatige intelligentie een verborgen ‘aan-knop’ in het menselijk DNA weten te ontcijferen. Het gaat om een stukje genetische code, de zogeheten ‘initiator’, dat mee bepaalt wanneer een gen wordt aangezet. Het onderzoek, geleid door promovendus Torrey Rhyne-Carrigg in het laboratorium van professor James T. Kadonaga, verscheen in het vakblad Genes & Development. Het team analyseerde daarvoor zo’n 500.000 verschillende DNA-varianten.
- AI ontcijferde de DNA-handtekening van de zogeheten ‘initiator’, een genetische schakelaar.
- De initiator blijkt in ongeveer 60 procent van de menselijke genen aanwezig te zijn.
- Het model kan helpen voorspellen hoe schadelijke mutaties de genactiviteit beïnvloeden.
Waarom het aan- en uitschakelen van genen zo cruciaal is
Een gezonde groei en ontwikkeling hangen af van tienduizenden genen die op het juiste moment en op de juiste plek moeten worden ingeschakeld. Specifieke stukken DNA coördineren dat proces en sturen de aanmaak aan van enzymen, hormonen, eiwitten en andere moleculen die cellen nodig hebben om te functioneren. Loopt die activering mis, dan kunnen cellen ontsporen en bijdragen aan uiteenlopende aandoeningen, waaronder kanker.
De initiator markeert precies de plek waar de informatie in een gen begint te worden omgezet, of tot expressie komt, in een functioneel product. Juist die plek stond centraal in het onderzoek.
Hoe de AI de handtekening van de initiator blootlegde
Het team gebruikte zogeheten high-throughput DNA-sequencing om de genexpressie-activiteit te meten van ongeveer 500.000 verschillende versies van de initiator. Die meetgegevens dienden vervolgens als trainingsmateriaal voor een machine learning-systeem, een vorm van kunstmatige intelligentie. Zodra het model het kenmerkende DNA-patroon had gedecodeerd, doorzochten de onderzoekers het menselijk genoom naar die sequentie. Zo’n 60 procent van de menselijke genen bleek de initiator te bevatten.
“Deze AI-modellen bleken voor het eerst sterke voorspellingen te leveren over de aan- of afwezigheid van de initiator in menselijke genen, en konden zo het DNA-basepatroon van de initiator ontcijferen”, aldus Kadonaga, hoogleraar aan het Department of Molecular Biology van UC San Diego.
Wat de doorbraak in de praktijk kan betekenen
De nieuwe kennis geeft onderzoekers een instrument om te voorspellen hoe mutaties in de initiator de genactiviteit kunnen veranderen en zo kunnen bijdragen aan verschillende aandoeningen. Dat betekent dat wetenschappers in principe beter kunnen inschatten welke gevolgen een specifieke fout in de code heeft. De data en modellen zouden bovendien kunnen worden ingezet om synthetische promotoren te ontwerpen: sequenties die genen aan- of uitzetten, op maat gemaakt voor specifieke doeleinden.
Breder gezien laat het onderzoek zien hoe laboratoriumexperimenten en kunstmatige intelligentie samen informatie kunnen ontsluiten die in ons DNA verborgen ligt. Voor patiënten en artsen ligt de concrete toepassing nog niet voor het grijpen: het gaat hier om fundamenteel onderzoek dat een bouwsteen aanreikt, geen kant-en-klare behandeling.
Een klein stukje van een veel grotere code
Kadonaga plaatst het resultaat in een groter perspectief. “Uiteindelijk zit er binnen de zes miljard basen DNA in elk van onze cellen een genexpressiecode die bepaalt wanneer, waar en in welke mate elk van onze genen aan of uit moet staan”, zegt hij. Een compleet AI-model van die volledige code zou het volgens hem mogelijk maken om de activiteit van uiteenlopende genvarianten bij verschillende mensen te voorspellen.
Het nieuwe model voor de initiator is daarvan naar eigen zeggen “een klein maar belangrijk onderdeel”. De onderzoeker toont zich optimistisch dat zijn team de AI-modellen van de menselijke genexpressiecode “in de niet al te verre toekomst” verder zal uitbreiden.
Wat vindt u ervan dat AI steeds dieper doordringt in de ontcijfering van ons DNA? Deel uw gedachten hieronder.
