Koristeći tehnike umjetne inteligencije, istraživači su pokazali da mutacije u takozvanoj 'junk' DNK mogu uzrokovati autizam. Studija, objavljena 27. maja u Nature Genetics, prva je koja funkcionalno povezuje takve mutacije s neurorazvojnim stanjem.
Istraživanje je vodila Olga Troyanskaya u saradnji sa Robertom Darnellom. Trojanskaja je zamenik direktora za genomiku u Centru za računarsku biologiju (CCB) Flatiron instituta u Njujorku i profesor računarstva na Univerzitetu Prinston. Darnell je Robert i Harriet Heilbrunn profesor biologije raka na Univerzitetu Rockefeller i istraživač na Medicinskom institutu Howard Hughes.
Njihov tim je koristio mašinsko učenje da analizira čitave genome 1.790 osoba sa autizmom i njihovih roditelja i braće i sestara bez uticaja. Ove osobe nisu imale porodičnu istoriju autizma, što znači da su genetski uzrok njihovog stanja vjerovatno spontane mutacije, a ne naslijeđene mutacije.
Analiza je predvidjela grananje genetskih mutacija u dijelovima genoma koji ne kodiraju proteine, regije koje se često pogrešno okarakteriziraju kao 'smeće' DNK. Broj slučajeva autizma povezanih s nekodirajućim mutacijama bio je uporediv s brojem slučajeva povezanih s mutacijama koje kodiraju proteine koje onemogućuju funkciju gena.
Implikacije ovog rada sežu dalje od autizma, kaže Trojanskaja. "Ovo je prva jasna demonstracija nenaslijeđenih, nekodirajućih mutacija koje uzrokuju bilo kakvu složenu ljudsku bolest ili poremećaj."
Naučnici mogu primijeniti iste tehnike korištene u novoj studiji kako bi istražili ulogu nekodirajućih mutacija u bolestima kao što su rak i bolesti srca, kaže koautor studije Jian Zhou iz CCB-a i Princetona. "Ovo omogućava novi pogled na uzrok ne samo autizma, već i mnogih ljudskih bolesti."
Samo 1 do 2 posto ljudskog genoma se sastoji od gena koji kodiraju nacrte za pravljenje proteina. Ti proteini obavljaju zadatke u našim tijelima, kao što su regulacija nivoa šećera u krvi, borba protiv infekcija i slanje komunikacije između stanica. Međutim, ostalih 98 posto našeg genoma nije genetska mrtva težina. Nekodirajuće regije pomažu u regulaciji kada i gdje geni stvaraju proteine.
Mutacije u regijama koje kodiraju proteine čine najviše 30 posto slučajeva autizma kod osoba bez porodične istorije autizma. Dokazi sugeriraju da se mutacije koje uzrokuju autizam moraju dogoditi i drugdje u genomu.
Teško je otkriti koje nekodirajuće mutacije mogu uzrokovati autizam. Jedna osoba može imati desetine nekodirajućih mutacija, od kojih će većina biti jedinstvena za pojedinca. Ovo čini tradicionalni pristup identifikacije uobičajenih mutacija među pogođenim populacijama neodrživim.
Troyanskaya i njene kolege zauzele su novi pristup. Oni su obučili model mašinskog učenja da predvide kako će dati niz uticati na ekspresiju gena.
"Ovo je promjena u razmišljanju o genetskim studijama koje uvodimo ovom analizom," kaže Chandra Theesfeld, naučnica u laboratoriji Troyanskaya na Princetonu. "Pored naučnika koji proučavaju zajedničke genetske mutacije u velikim grupama pojedinaca, ovdje primjenjujemo skup pametnih, sofisticiranih alata koji nam govore šta će svaka specifična mutacija učiniti, čak i one koje su rijetke ili nikada ranije nisu opažene."
Istraživači su proučavali genetsku osnovu autizma primjenom modela mašinskog učenja na riznicu genetskih podataka pod nazivom Simons Simplex Collection. Simons fondacija, matična organizacija Flatiron instituta, proizvela je i održava repozitorij. Simons Simplex kolekcija sadrži čitave genome od skoro 2.000 'kvarteta' sastavljenih od djeteta s autizmom, braće i sestara koji nisu pogođeni i njihovih roditelja koji nisu pogođeni.
Ove četvorke nisu imale prethodnu porodičnu istoriju autizma, što znači da su nenaslijeđene mutacije vjerovatno odgovorne za stanje zahvaćenog djeteta. (Takve mutacije nastaju spontano u spermi i jajnim ćelijama, kao iu embrionima.)
Istraživači su koristili svoj model za predviđanje uticaja nenaslijeđenih, nekodirajućih mutacija na svako dijete s autizmom. Zatim su uporedili ta predviđanja sa efektima iste, nemutirane niti kod djetetovog brata ili sestre koji nije pogođen.
"Dizajn Simons Simplex kolekcije je ono što nam je omogućilo da uradimo ovu studiju," kaže Zhou. "Nezahvaćena braća i sestre su ugrađena kontrola."
Nekodirajuće mutacije kod mnoge djece s autizmom promijenile su regulaciju gena, pokazala je analiza. Štaviše, rezultati sugeriraju da su mutacije utjecale na ekspresiju gena u mozgu i gene koji su već povezani s autizmom, kao što su oni odgovorni za migraciju i razvoj neurona. "Ovo je u skladu sa načinom na koji se autizam najvjerovatnije manifestira u mozgu", kaže koautor studije Christopher Park, naučnik u CCB-u. "Ne radi se samo o broju mutacija koje se javljaju, već o tome kakve se mutacije dešavaju."
Istraživači su testirali efekte nekih nekodirajućih mutacija u laboratorijskim eksperimentima. Oni su ubacili predviđene mutacije visokog utjecaja pronađene kod djece s autizmom u ćelije i promatrali rezultirajuće promjene u ekspresiji gena. Ove promjene su potvrdile predviđanja modela.
Troyanskaya kaže da će ona i njene kolege nastaviti da poboljšavaju i proširuju svoju metodu. Na kraju, ona se nada da će rad poboljšati način na koji se genetski podaci koriste za dijagnosticiranje i liječenje bolesti i poremećaja. "Trenutno se 98 posto genoma obično baca", kaže ona."Naš rad vam omogućava da razmislite o tome šta možemo učiniti sa 98 posto."
