這項(xiàng)工作發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，由計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院助理教授Andreas Pfenning領(lǐng)導(dǎo)，為Zoonomia項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)，該項(xiàng)目旨在對(duì)240種哺乳動(dòng)物的整個(gè)基因組進(jìn)行測(cè)序，以闡明基因和性狀的基本方面，對(duì)保護(hù)人類(lèi)健康和保護(hù)生物多樣性具有重要意義。理解這些新的大型數(shù)據(jù)集需要最新的人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)。

被稱(chēng)為編碼DNA的基因組的某些部分為產(chǎn)生蛋白質(zhì)提供了指令，蛋白質(zhì)是細(xì)胞功能不可或缺的調(diào)節(jié)因子。隨著時(shí)間的推移，編碼DNA為蛋白質(zhì)生產(chǎn)提供的指令略有不同，成為進(jìn)化背后的驅(qū)動(dòng)力之一。

然而，這些產(chǎn)生蛋白質(zhì)的DNA片段只占構(gòu)成人類(lèi)基因組的30億核苷酸對(duì)的百分之一。其他非編碼DNA區(qū)域，稱(chēng)為增強(qiáng)子，決定了特定基因活躍的時(shí)間和地點(diǎn)。

CMU團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)稱(chēng)為組織感知保護(hù)推理工具包(TACIT)的ML方法，以了解有關(guān)這些區(qū)域如何運(yùn)作的更多信息。雖然傳統(tǒng)的進(jìn)化模型可能會(huì)通過(guò)一組基因中的一組突變來(lái)證明物種大腦大小的變化，但增強(qiáng)子可能只是打開(kāi)或關(guān)閉基因并達(dá)到相同的結(jié)果。

大多數(shù)對(duì)哺乳動(dòng)物進(jìn)化的研究都集中在基因組中數(shù)百萬(wàn)年來(lái)變化相對(duì)較小的部分。這些保守區(qū)域，尤其是基因，提供了對(duì)哺乳動(dòng)物DNA中基本元素的洞察，這些元素突出了單個(gè)物種的獨(dú)特特征。

Pfenning和他的團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)是，隨著時(shí)間的推移，DNA增強(qiáng)子區(qū)域可能會(huì)按順序變化，但功能不會(huì)改變。例如，一種經(jīng)過(guò)充分研究的胰島增強(qiáng)子以類(lèi)似的模式調(diào)節(jié)人類(lèi)、小鼠、斑馬魚(yú)和海綿的基因水平，盡管進(jìn)化了700億多年。這使得使用檢查單個(gè)核苷酸的傳統(tǒng)方法識(shí)別和跟蹤它們變得更加困難。

TACIT通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)增強(qiáng)子是否會(huì)在特定細(xì)胞類(lèi)型或組織中活躍來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。它允許科學(xué)家在不進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的情況下識(shí)別新測(cè)序基因組中的這些重要增強(qiáng)子區(qū)域，從而在保護(hù)生物學(xué)中提供潛在的應(yīng)用。該工具包可以預(yù)測(cè)增強(qiáng)劑在瀕?；蚴芡{物種中的作用，在這些物種中，受控的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是不可能的。

“TACIT提供了一個(gè)前所未有的機(jī)會(huì)來(lái)預(yù)測(cè)我們無(wú)法獲得原代組織樣本的物種中基因之外的部分基因組功能，例如寬吻海豚和極度瀕危的黑犀牛，”該論文的主要作者，博士后助理和CBD的Lane Fellow說(shuō)。“隨著ML方法和從特定細(xì)胞類(lèi)型中識(shí)別增強(qiáng)子的方法的改進(jìn)，我預(yù)計(jì)我們將能夠擴(kuò)大TACIT的功能，為哺乳動(dòng)物進(jìn)化提供新的見(jiàn)解。

在預(yù)測(cè)了240種哺乳動(dòng)物基因組序列的功能后，研究小組應(yīng)用TACIT來(lái)識(shí)別哺乳動(dòng)物中為較大大腦進(jìn)化的基因組部分，并發(fā)現(xiàn)這些部分往往靠近突變與人類(lèi)大腦大小疾病有關(guān)的基因。他們還發(fā)現(xiàn)了一種與哺乳動(dòng)物社會(huì)行為相關(guān)的增強(qiáng)子，該增強(qiáng)子特定于特定的神經(jīng)元亞型，即小白蛋白陽(yáng)性抑制性神經(jīng)元間型。

“我們認(rèn)為這只是冰山一角，”該研究的資深作者Pfenning說(shuō)。“通過(guò)將TACIT應(yīng)用于少量組織和少量性狀，我們發(fā)現(xiàn)了有趣的關(guān)系，但仍有很多東西需要發(fā)現(xiàn)。