Ochrona zdrowia

Google DeepMind przedstawia AlphaGenome do odczytania funkcji ludzkiego genomu

mm
Dodaj Unite.AI do preferowanych ÅšrÃģdeł w Google

Google DeepMind wydał AlphaGenome 28 stycznia, model AI, ktÃģry przewiduje, jak sekwencje DNA tłumaczą się na funkcje biologiczne, przetwarzając do jednego miliona par zasad jednocześnie i przewyÅžszając istniejące modele w 25 z 26 benchmarkÃģw predykcji efektu wariantu.

Model, opublikowany w Nature i szczegÃģłowo opisany na blogu DeepMind, reprezentuje znaczący postęp w dziedzinie genomiki komputerowej. Tam, gdzie poprzednie modele wymagały oddzielnych systemÃģw dla rÃģÅžnych zadań predykcji, AlphaGenome obsługuje wszystko, od ekspresji genÃģw do dostępności chromatyny, w jednej zunifikowanej architekturze.

“AlphaGenome moÅže spojrzeć na długi odcinek DNA i przewidzieć, gdzie znajdują się krytyczne elementy regulacyjne i ich efekt downstream na ekspresję genÃģw”, zespÃģł DeepMind napisał w swoim ogłoszeniu. Okno kontekstowe modelu o długości miliona tokenÃģw pozwala mu przechwytywać oddziaływania dalekosięŞne między odległymi regionami DNA, ktÃģre wpływają na to, jak geny są włączane i wyłączane.

Jak to działa

AlphaGenome łączy dwie architektury sieci neuronowych: sieć 1D konwolucyjną w stylu Borzoi do przetwarzania surowych sekwencji DNA oraz architekturę U-Net zaadaptowaną z segmentacji obrazu. Ten hybrydowy podejście pozwala modelowi obsługiwać zarÃģwno sekwencyjny charakter DNA, jak i złoÅžone relacje przestrzenne między elementami regulacyjnymi.

Dane szkoleniowe obejmują około 7 000 śladÃģw genomowych z konsorcjÃģw ENCODE i FANTOM – ogromnych wspÃģłpracy, ktÃģre skatalogowały elementy funkcjonalne w całym ludzkim genomie. Model uczy się przewidywać sygnały z eksperymentalnych testÃģw pomiaru ekspresji genÃģw, dostępności DNA, wiązania białek i modyfikacji chromatyny.

Dla badaczy praktyczna wartość leÅžy w predykcji efektu wariantu. Kiedy genom pacjenta zawiera mutację, klinicyści muszą wiedzieć, czy ta wariacja ma znaczenie. AlphaGenome moÅže przewidzieć, jak zmiana jednego nukleotydu wpływa na cały krajobraz regulacyjny, potencjalnie flagując warianty chorobotwÃģrcze, ktÃģrych obecne metody nie wykrywają.

Model osiągnął silne wyniki w benchmarkach testujących jego zdolność do przewidywania, jak warianty genetyczne wpływają na ekspresję genÃģw i aktywność elementÃģw regulacyjnych. W przypadku locus eQTL (wariantÃģw znanych z wpływu na poziomy ekspresji genÃģw) AlphaGenome dopasował lub przewyÅžszył specjalistyczne modele szkolone specjalnie do tych zadań.

Dostępność Open Source

DeepMind wydał kod ÅšrÃģdłowy AlphaGenome na GitHub do uÅžytku niekomercyjnego, kontynuując wzorzec laboratorium, ktÃģry udostępnia podstawowe narzędzia biologiczne publicznie. Repozytorium zawiera wagi modelu, kod inferencyjny i dokumentację do uruchamiania predykcji na niestandardowych sekwencjach.

Otwarta publikacja następuje po modelu ustanowionym przez AlphaFold, narzędziu DeepMind do predykcji struktury białek, ktÃģre zostało uÅžyte przez ponad 3 miliony badaczy od jego premiery w 2021 roku. AlphaGenome rozwiązuje komplementarny problem: podczas gdy AlphaFold przewiduje, jak wyglądają białka, AlphaGenome przewiduje, kiedy i gdzie geny produkują te białka.

CEO Google DeepMind, Demis Hassabis, ustawił biologię jako głÃģwny obszar zastosowania moÅžliwości AI laboratorium. Praca nad genomiką rozszerza ambicje DeepMind poza AI konwersacyjny i modele językowe, ktÃģre napędzają produkty takie jak Gemini, stosując podobne innowacje architektoniczne do problemÃģw naukowych.

Dlaczego to ma znaczenie

Ludzki genom zawiera około 3 miliardÃģw par zasad, ale tylko około 1,5% koduje bezpośrednio białka. Pozostałe 98,5% – dawno uwaÅžane za “śmieciowe DNA” – zawierają elementy regulacyjne, ktÃģre kontrolują, kiedy, gdzie i jak bardzo geny są wyraÅžane. Mutacje w tych regionach niekodujących powodują choroby, ale identyfikacja, ktÃģre warianty mają znaczenie, była nadzwyczaj trudna.

Tradycyjne metody wymagają drogich, czasochłonnych eksperymentÃģw w celu przetestowania poszczegÃģlnych wariantÃģw. Modele uczenia maszynowego, takie jak AlphaGenome, mogą przesiewać tysiące wariantÃģw komputacyjnie, priorytetyzując, ktÃģre z nich zasługują na eksperymentalne kontynuowanie. W przypadku diagnozy rzadkich chorÃģb, gdzie pacjenci często noszą nowe warianty o nieznanych skutkach, ta zdolność mogłaby przyspieszyć ścieÅžkę od sekwencjonowania do diagnozy.

MoÅžliwość modelu do przetwarzania kontekstÃģw o długości miliona par zasad jest szczegÃģlnie istotna. Elementy regulacyjne genÃģw mogą znajdować się setki tysięcy par zasad od genÃģw, ktÃģre kontrolują, komunikując się przez złoÅžone fałdowanie DNA. Poprzednie modele o krÃģtszych oknach kontekstowych nie mogły przechwytywać tych dalekosięŞnych zaleÅžności.

AlphaGenome dołącza do rosnącego ekosystemu narzędzi AI, ktÃģre transformują badania biologiczne. Predykcja struktury białek, odkrywanie lekÃģw i teraz regulacja genÃģw stają się coraz bardziej rozwiązywalnymi problemami dla uczenia maszynowego. Dla społeczności badawczej genetyki dostępność otwarta tych modeli demokratyzuje dostęp do moÅžliwości komputacyjnych, ktÃģre wcześniej były ograniczone do dobrze finansowanych laboratoriÃģw.

Ograniczenia modelu są rÃģwnieÅž jasne z prezentacji DeepMind. Podczas gdy AlphaGenome wyrÃģÅžnia się w przewidywaniu pomiarÃģw eksperymentalnych, tłumaczenie tych predykcji na wyniki kliniczne wymaga dodatkowej walidacji. Przerwa między przewidywaniem dostępności chromatyny a przewidywaniem ryzyka choroby pozostaje znacząca.

Na razie AlphaGenome słuÅžy jako narzędzie badawcze – ktÃģre mogłoby przyspieszyć zrozumienie, jak działa genom, nawet jeśli aplikacje kliniczne pozostają jeszcze kilka lat w przyszłości. 3 000 naukowcÃģw z 160 krajÃģw, ktÃģrzy juÅž uÅžywają modelu, sugeruje, Åže społeczność badawcza widzi natychmiastową wartość w tym, co DeepMind zbudował.

Alex McFarland jest dziennikarzem i pisarzem zajmującym się sztuczną inteligencją, ktÃģry bada najnowsze rozwoje w dziedzinie sztucznej inteligencji. WspÃģłpracował z licznymi startupami i wydawnictwami związanymi z sztuczną inteligencją na całym świecie.