Ochrona zdrowia
Google DeepMind przedstawia AlphaGenome do odczytania funkcji ludzkiego genomu

Google DeepMind wydaÅ AlphaGenome 28 stycznia, model AI, ktÃģry przewiduje, jak sekwencje DNA tÅumaczÄ siÄ na funkcje biologiczne, przetwarzajÄ c do jednego miliona par zasad jednoczeÅnie i przewyÅžszajÄ c istniejÄ ce modele w 25 z 26 benchmarkÃģw predykcji efektu wariantu.
Model, opublikowany w Nature i szczegÃģÅowo opisany na blogu DeepMind, reprezentuje znaczÄ cy postÄp w dziedzinie genomiki komputerowej. Tam, gdzie poprzednie modele wymagaÅy oddzielnych systemÃģw dla rÃģÅžnych zadaÅ predykcji, AlphaGenome obsÅuguje wszystko, od ekspresji genÃģw do dostÄpnoÅci chromatyny, w jednej zunifikowanej architekturze.
âAlphaGenome moÅže spojrzeÄ na dÅugi odcinek DNA i przewidzieÄ, gdzie znajdujÄ siÄ krytyczne elementy regulacyjne i ich efekt downstream na ekspresjÄ genÃģwâ, zespÃģÅ DeepMind napisaÅ w swoim ogÅoszeniu. Okno kontekstowe modelu o dÅugoÅci miliona tokenÃģw pozwala mu przechwytywaÄ oddziaÅywania dalekosiÄÅžne miÄdzy odlegÅymi regionami DNA, ktÃģre wpÅywajÄ na to, jak geny sÄ wÅÄ czane i wyÅÄ czane.
Jak to dziaÅa
AlphaGenome ÅÄ czy dwie architektury sieci neuronowych: sieÄ 1D konwolucyjnÄ w stylu Borzoi do przetwarzania surowych sekwencji DNA oraz architekturÄ U-Net zaadaptowanÄ z segmentacji obrazu. Ten hybrydowy podejÅcie pozwala modelowi obsÅugiwaÄ zarÃģwno sekwencyjny charakter DNA, jak i zÅoÅžone relacje przestrzenne miÄdzy elementami regulacyjnymi.
Dane szkoleniowe obejmujÄ okoÅo 7 000 ÅladÃģw genomowych z konsorcjÃģw ENCODE i FANTOM â ogromnych wspÃģÅpracy, ktÃģre skatalogowaÅy elementy funkcjonalne w caÅym ludzkim genomie. Model uczy siÄ przewidywaÄ sygnaÅy z eksperymentalnych testÃģw pomiaru ekspresji genÃģw, dostÄpnoÅci DNA, wiÄ zania biaÅek i modyfikacji chromatyny.
Dla badaczy praktyczna wartoÅÄ leÅžy w predykcji efektu wariantu. Kiedy genom pacjenta zawiera mutacjÄ, klinicyÅci muszÄ wiedzieÄ, czy ta wariacja ma znaczenie. AlphaGenome moÅže przewidzieÄ, jak zmiana jednego nukleotydu wpÅywa na caÅy krajobraz regulacyjny, potencjalnie flagujÄ c warianty chorobotwÃģrcze, ktÃģrych obecne metody nie wykrywajÄ .
Model osiÄ gnÄ Å silne wyniki w benchmarkach testujÄ cych jego zdolnoÅÄ do przewidywania, jak warianty genetyczne wpÅywajÄ na ekspresjÄ genÃģw i aktywnoÅÄ elementÃģw regulacyjnych. W przypadku locus eQTL (wariantÃģw znanych z wpÅywu na poziomy ekspresji genÃģw) AlphaGenome dopasowaÅ lub przewyÅžszyÅ specjalistyczne modele szkolone specjalnie do tych zadaÅ.
DostÄpnoÅÄ Open Source
DeepMind wydaÅ kod ÅšrÃģdÅowy AlphaGenome na GitHub do uÅžytku niekomercyjnego, kontynuujÄ c wzorzec laboratorium, ktÃģry udostÄpnia podstawowe narzÄdzia biologiczne publicznie. Repozytorium zawiera wagi modelu, kod inferencyjny i dokumentacjÄ do uruchamiania predykcji na niestandardowych sekwencjach.
Otwarta publikacja nastÄpuje po modelu ustanowionym przez AlphaFold, narzÄdziu DeepMind do predykcji struktury biaÅek, ktÃģre zostaÅo uÅžyte przez ponad 3 miliony badaczy od jego premiery w 2021 roku. AlphaGenome rozwiÄ zuje komplementarny problem: podczas gdy AlphaFold przewiduje, jak wyglÄ dajÄ biaÅka, AlphaGenome przewiduje, kiedy i gdzie geny produkujÄ te biaÅka.
CEO Google DeepMind, Demis Hassabis, ustawiÅ biologiÄ jako gÅÃģwny obszar zastosowania moÅžliwoÅci AI laboratorium. Praca nad genomikÄ rozszerza ambicje DeepMind poza AI konwersacyjny i modele jÄzykowe, ktÃģre napÄdzajÄ produkty takie jak Gemini, stosujÄ c podobne innowacje architektoniczne do problemÃģw naukowych.
Dlaczego to ma znaczenie
Ludzki genom zawiera okoÅo 3 miliardÃģw par zasad, ale tylko okoÅo 1,5% koduje bezpoÅrednio biaÅka. PozostaÅe 98,5% â dawno uwaÅžane za âÅmieciowe DNAâ â zawierajÄ elementy regulacyjne, ktÃģre kontrolujÄ , kiedy, gdzie i jak bardzo geny sÄ wyraÅžane. Mutacje w tych regionach niekodujÄ cych powodujÄ choroby, ale identyfikacja, ktÃģre warianty majÄ znaczenie, byÅa nadzwyczaj trudna.
Tradycyjne metody wymagajÄ drogich, czasochÅonnych eksperymentÃģw w celu przetestowania poszczegÃģlnych wariantÃģw. Modele uczenia maszynowego, takie jak AlphaGenome, mogÄ przesiewaÄ tysiÄ ce wariantÃģw komputacyjnie, priorytetyzujÄ c, ktÃģre z nich zasÅugujÄ na eksperymentalne kontynuowanie. W przypadku diagnozy rzadkich chorÃģb, gdzie pacjenci czÄsto noszÄ nowe warianty o nieznanych skutkach, ta zdolnoÅÄ mogÅaby przyspieszyÄ ÅcieÅžkÄ od sekwencjonowania do diagnozy.
MoÅžliwoÅÄ modelu do przetwarzania kontekstÃģw o dÅugoÅci miliona par zasad jest szczegÃģlnie istotna. Elementy regulacyjne genÃģw mogÄ znajdowaÄ siÄ setki tysiÄcy par zasad od genÃģw, ktÃģre kontrolujÄ , komunikujÄ c siÄ przez zÅoÅžone faÅdowanie DNA. Poprzednie modele o krÃģtszych oknach kontekstowych nie mogÅy przechwytywaÄ tych dalekosiÄÅžnych zaleÅžnoÅci.
AlphaGenome doÅÄ cza do rosnÄ cego ekosystemu narzÄdzi AI, ktÃģre transformujÄ badania biologiczne. Predykcja struktury biaÅek, odkrywanie lekÃģw i teraz regulacja genÃģw stajÄ siÄ coraz bardziej rozwiÄ zywalnymi problemami dla uczenia maszynowego. Dla spoÅecznoÅci badawczej genetyki dostÄpnoÅÄ otwarta tych modeli demokratyzuje dostÄp do moÅžliwoÅci komputacyjnych, ktÃģre wczeÅniej byÅy ograniczone do dobrze finansowanych laboratoriÃģw.
Ograniczenia modelu sÄ rÃģwnieÅž jasne z prezentacji DeepMind. Podczas gdy AlphaGenome wyrÃģÅžnia siÄ w przewidywaniu pomiarÃģw eksperymentalnych, tÅumaczenie tych predykcji na wyniki kliniczne wymaga dodatkowej walidacji. Przerwa miÄdzy przewidywaniem dostÄpnoÅci chromatyny a przewidywaniem ryzyka choroby pozostaje znaczÄ ca.
Na razie AlphaGenome sÅuÅžy jako narzÄdzie badawcze â ktÃģre mogÅoby przyspieszyÄ zrozumienie, jak dziaÅa genom, nawet jeÅli aplikacje kliniczne pozostajÄ jeszcze kilka lat w przyszÅoÅci. 3 000 naukowcÃģw z 160 krajÃģw, ktÃģrzy juÅž uÅžywajÄ modelu, sugeruje, Åže spoÅecznoÅÄ badawcza widzi natychmiastowÄ wartoÅÄ w tym, co DeepMind zbudowaÅ.










