Искусственный интеллект ищет «левую» ДНК

Возможность превращения человеческой ДНК в левозакрученную форму оценили с помощью нейросетей.

ДНК – это двуцепочечная спираль. Две цепи, которые состоят из огромного количества нуклеотидов, соединены между собой водородными связями. Сами нуклеотиды – тоже сложные молекулы, в состав которых входят азотистые основания аденин, гуанин, тимин и цитозин , те самые четыре буковки генетического кода А, Т, Г и Ц. Именно водородные связи между ними держат обе цепи вместе, причём водородные связи образуются по принципу комплементарности, то есть напротив А в одной цепи будет стоять Т, а напротив Г – Ц.

 

(Иллюстрация: phonlamai / Depositphotos) 

Открыть в полном размере

 

Пространственная структура ДНК зависит от физико-химических взаимодействий атомов и групп атомов снутри самой молекулы и от их взаимодействий со средой – ведь ДНК существует не в вакууме, вокруг неё вода, ионы, и пр. Взаимодействия эти не жёсткие, условия среды могут быть различные, и поэтому у ДНК есть несколько пространственных форм. Обычно говорят о В-ДНК – закрученной вправо спирали 2-ух цепочек нуклеотидов группа органических соединений, представляют собой фосфорные эфиры нуклеозидов с определёнными параметрами; ДНК в форме В встречается чаще всего. При этом она может превращаться в Z-ДНК, основная особенность которой в том, что она – левозакрученная.

ДНК – огромная молекулы, и её разные участки могут существовать в разных пространственных формах. То есть, к примеру, форма Z может возникать там и сям посреди формы В. С ДНК постоянно работают разнообразные белки, которые синтезируют свежие цепи ДНК или же считывают информацию из генов в молекулы электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов РНК, чтобы те потом послужили инструкцией для сборки белковых молекул. Спец свойства пространственной структуры влияют на её биологию: переход из В-формы в Z-форму влияет на активность генов, то есть на кол-во РНК, но также это влияет на вероятность мутаций – Z-DNA химически менее стабильна и более подвержена мутациям; весенней порой мы писали, что противовирусная защита в клетке включается в ответ на появление Z-ДНК.

Чтобы лучше понимать, что происходит в клеточке, желательно уметь предсказывать, какие зоны ДНК более всего склонны становиться «левыми». Свойства того или другого участка ДНК зависят от последовательности нуклеотидов, от того, какого рода генетический текст в них записан. Анализируя последовательности ДНК, можно с определённой точностью угадать, где ДНК с большей охотой перебегает в Z-форму. 

Но так можно обнаружить далеко не все зоны, склонные к Z-форме. Чтобы лучше их распознать, нужно ещё считать и активность понятие, определяющее темп движения и интенсивность действий веществ, явлений и живых организмов генов, и ряд других параметров. Сотрудники Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ) попробовали решить эту задачку с помощью искусственного интеллекта; результаты эксперимента описаны в Scientific Reports. Нейронные сети трёх типов – свёрточная (которую обычно употребляют для распознавания образов), рекуррентная (которая используют для распознавания текста) и их гибрид – учили видеть Z-ДНК на большом массиве биологических данных.

Вообще всего  в эксперименте была 151 модель нейросетей, из них одна, относящаяся к рекуррентному типу, показала наилучший итог. И дальше этой нейросетью прочесали уже весь человеческий геном – для каждого отдельного нуклеотида или группы нуклеотидов нейросеть демонстрировала, с какой вероятностью он может оказаться в Z-форме.

В перспективе новые данные должны сильно помочь всем, чьи исследования в той или другой мере касаются молекулярной биологии – поскольку, как было сказано, превращения ДНК из одной формы может означать: Форма предмета — взаимное расположение границ (контуров) предмета, объекта, а также взаимное расположение точек линии в другую и назад влияют на активность генов, а от активности генов в классической генетике — наследственный фактор, который несёт информацию об определённом признаке или функции организма, и который является структурной и функциональной единицей наследственности у нас зависит вся жизнь.

По материалам пресс-службы НИУ ВШЭ.

Автор: Кирилл Стасевич