Wissenschaftler führender Institutionen weltweit haben eine Methode entwickelt, um die Genexpression in verschiedenen Zelltypen präzise zu steuern, was einen bahnbrechenden Schritt in der Behandlung genetischer Erkrankungen darstellt. Diese Innovation, die von künstlicher Intelligenz vorangetrieben wird, adressiert eine langjährige Herausforderung in der Genetik.
Alle lebenden Organismen besitzen denselben genetischen Code oder DNA, aber die Aktivierung spezifischer Gene variiert je nach Funktion der Zelle. Cis-regulatorische Elemente (CREs), oft als 'DNA-Tasten' bezeichnet, spielen eine entscheidende Rolle dabei, sicherzustellen, dass die richtigen Gene zur richtigen Zeit aktiviert werden.
Trotz Fortschritten bei der Manipulation von Genen in lebenden Zellen hat sich das selektive Ein- und Ausschalten von Genen in spezifischen Zelltypen als schwierig erwiesen. Ein wesentlicher Barrier ist die Unvorhersehbarkeit, wie sich verschiedene CREs verhalten. Obwohl das menschliche Genom Tausende von unterschiedlichen CREs enthält, haben Wissenschaftler Schwierigkeiten, ihre 'Sprache' effektiv zu interpretieren.
Um dieses Problem zu lösen, wandten sich Forscher des Jackson Laboratory, des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Broad Institute der Harvard University und der Yale University der künstlichen Intelligenz zu. Ihre Studie, die am 23. Oktober 2024 in dem renommierten Journal Nature veröffentlicht wurde, stellte ein tiefes Lernmodell vor, das in der Lage ist, die Aktivität von CREs vorherzusagen.
Durch die Messung der Aktivität von CREs in Blut-, Leber- und Gehirnzellen wurde das KI-Modell auf Hunderttausenden von DNA-Sequenzen des menschlichen Genoms trainiert. Nach diesem Training zeigte die KI die Fähigkeit, die Aktivitäten von CREs über eine nahezu unendliche Anzahl von Kombinationen hinweg genau vorherzusagen.
Darüber hinaus entwarf das Forschungsteam Tausende neuer synthetischer CREs, die die Genexpression in ausgewählten Zelltypen steuern können. Bei Tests dieser synthetischen CREs an lebenden Tieren gelang es ihnen, ein Protein ausschließlich in den Lebern sich entwickelnder Zebrafische zu aktivieren, ohne andere Zellen oder Gewebe zu beeinflussen.
Dieser Fortschritt eröffnet neue Wege zur Entwicklung von Behandlungen für verschiedene genetische Störungen, indem er eine präzise Kontrolle der Genexpression in gezielten Bereichen ermöglicht. Ryan Tewhey, ein Mitautor der Studie vom Jackson Laboratory, erklärte: 'Diese Technologie ebnet den Weg für das Schreiben neuer regulatorischer Elemente mit vordefinierten Funktionen.'