Создание нейронной сети
Российская нейронная сеть нашла неожиданные законы архитектуры генома, исследование опубликовано в Nucleic Acids Research. Ученые выяснили, почему дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) человека и дрожжей сворачивается по-разному.
В мае 2026 г. биоинформатики из России разработали нейронную сеть «Химера», которая смогла не только предсказывать трехмерную структуру генома, но и выявлять правила его пространственной организации у самых разных живых существ — от дрожжевых грибов и примитивных растений до человека.
Геном внутри клетки не распределен беспорядочно, а выстраивается в многомерную структуру, напрямую регулирующую работу генов. Исследователям известны такие элементы, как домены, петли и зоны компартментализации, но оставалось неизвестным, схожи ли принципы их образования у различных организмов.
Согласно данным Nucleic Acids Research, сверточной нейронной сети «Химера» для прогнозирования карт Hi-C с использованием автоэнкодера для представления карт. Каждая серая линия соответствует прямому проходу одного входного сигнала (ДНК или карты Hi-C) через сеть. На схематических изображениях представлена схема обучения (A, B) и три основных способа использования «Химера» в этой работе: высокочастотное предсказание по последовательности ДНК (C, G), поиск и количественная оценка паттернов (D, E) и интерпретация ассоциаций последовательности ДНК/трехмерного генома (F).
Анализы ДНК
Группа ученых из России провела анализ генетического материала, полученного из различных тканей 22 видов живых существ. В число изученных организмов вошли: человек, домашняя мышь (Mus musculus), тропическая шпорцевая лягушка (Xenopus tropicalis), зебровая данио (Danio rerio), а также представители моллюсков — пресноводная яблочная улитка (Pomacea canaliculata) и испанский слизень (Arion vulgaris), считающийся одним из самых опасных вредителей сельскохозяйственных культур. Кроме того, в исследование были включены медоносная пчела (Apis cerana), муравей Cataglyphis hispanica, плодовая мушка Drosophila melanogaster, комары Anopheles merus и Culex quinquefasciatus, тутовый шелкопряд (Bombyx mori), нематода Caenorhabditis elegans, коралловый динофлагеллят Symbiodinium microadriaticum, дрожжи родов Saccharomyces и Schizosaccharomyces, а также модельное растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) и другие виды.
Внутреннее обучение модели
Нейронная сеть «Химера» прошла обучение, используя наборы данных, состоящие из фрагментов ДНК и схем пространственной структуры генома. Благодаря этому процессу, ИТ-система приобрела способность выявлять скрытые принципы укладки хроматина и прогнозировать строение генома, опираясь исключительно на информацию, содержащуюся в последовательности ДНК.
Внешняя упаковка
Ключевым результатом данного исследования является установление видоспецифичности механизмов, определяющих трехмерное устройство генома. Это означает, что аналогичные структурные образования у различных живых существ могут формироваться под влиянием совершенно отличных биологических факторов и обладать различными пространственными конфигурациями.
Искусственный интеллект (ИИ) установил корреляцию между определенными структурами и характеристиками ДНК. Было замечено, что регионы генома, характеризующиеся сильной изоляцией, как правило, обогащены GC-парами, представляющими собой сочетание нуклеотидов гуанина и цитозина. Помимо этого, было обнаружено, что пространственная организация ДНК определяется не только порядком расположения генов, но и направлением их транскрипции.
Ученые, опираясь на выявленные закономерности, смогли создать некое подобие «древа эволюции» трехмерной структуры генома, охватив диапазон от растений до млекопитающих.
Тренды в науке
Набирает обороты другой тренд — создание «прозрачного ИИ». В отличие от традиционных ИИ-систем, которые просто предоставляют ответ, такие алгоритмы раскрывают логику, лежащую в основе принятых ИИ-моделью решений.
Отечественные ученые выделяют, что благодаря интерпретируемости «Химеры» открываются возможности для глубокого анализа и выявления основополагающих принципов в биологии.
ИИ-технологии помогают двигать науку
ИИ-технологии находят все более широкое применение в сфере биологических наук.
В 2024 г. научное сообщество отметило достижения исследователей, разработавших ИИ-системы для определения пространственной структуры белков, присудив им Нобелевскую премию по химии.
В 2026 г. специалисты Массачусетского технологического института продемонстрировали, что трехмерная конфигурация ДНК оказывает прямое воздействие на функционирование генетических каскадов и экспрессию генов.
Поделиться
