محققان به رهبری Stein Aerts، PhD، از مرکز VIB-KU Leuven برای تحقیقات مغز و بیماری‌ها در بلژیک، فناوری تک سلولی و هوش مصنوعی (AI) را ترکیب کردند تا تصویر جدیدی از تنظیم ژن در تمام سلول‌های مغز مگس میوه ترسیم کنند. این تیم از یادگیری عمیق استفاده کرد تا نشان دهد چگونه قطعات خاصی از DNA هویت عصبی را از تولد تا بلوغ هدایت می کند. این مطالعه (“رمزگشایی تنظیم ژن در مغز مگس”) منتشر شده در طبیعتانتظار می رود تحقیقات زیست پزشکی مبتنی بر هوش مصنوعی را به ویژه در پزشکی رهگیری مبتنی بر سلول شخصی سازی کند.
” مگس سرکه مغز یک اسب کار در علوم اعصاب است. آنالیز رونوشت تک سلولی، طبقه‌بندی مورفولوژیکی سه بعدی و نقشه برداری EM از کانکتوم، تنوع بسیار زیادی از انواع سلول‌های عصبی و گلیال را نشان داده‌اند که زیربنای مجموعه‌ای از ویژگی‌های عملکردی و رفتاری در مگس هستند.
هویت این نوع سلول ها توسط شبکه های تنظیم کننده ژن (GRNs) کنترل می شود که شامل ترکیبی از فاکتورهای رونویسی است که به تقویت کننده های ژنومی متصل می شوند تا ژن های هدف خود را تنظیم کنند. برای مشخص کردن GRN ها در سطح نوع سلولی در مغز مگس، دسترسی کروماتین 240919 سلول منفرد را که نه نقطه زمانی رشد را شامل می شوند، مشخص کردیم و این داده ها را با رونوشت های تک سلولی ادغام کردیم. ما بیش از 95000 ناحیه تنظیم‌کننده را شناسایی می‌کنیم که در انواع مختلف سلول‌های عصبی مورد استفاده قرار می‌گیرند، که 70000 مورد از آنها به مسیرهای تکاملی مربوط به نوروژنز، برنامه‌ریزی مجدد و بلوغ مرتبط هستند.
برای چهل نوع سلول، مناطق منحصربه‌فرد در دسترس با عوامل رونویسی بیان شده و ژن‌های هدف پایین دستی از طریق ترکیبی از کشف موتیف، استنتاج شبکه و یادگیری عمیق مرتبط بودند و GRNهای تقویت‌کننده را ایجاد می‌کردند.
معماری‌های تقویت‌کننده نشان‌داده‌شده توسط DeepFlyBrain منجر به درک بهتری از تنوع تنظیم‌کننده‌ی عصبی می‌شود و می‌تواند برای طراحی خطوط محرک ژنتیکی برای انواع سلول‌ها در مقاطع زمانی خاص مورد استفاده قرار گیرد و خصوصیات و دستکاری آنها را تسهیل کند.
Aerts توضیح داد: «به ویژه در مغز، پیچیده ترین اندام، تنوع بسیار زیادی از انواع سلول های عصبی و گلیال وجود دارد که در یک مدار به هم متصل شده اند تا طیف وسیعی از ویژگی های عملکردی و رفتاری را فعال کنند. این در مورد ما انسان ها صدق می کند، بلکه در مورد حیوانات کوچک مانند مگس میوه نیز صادق است.
تیم Aerts در رمزگشایی نحوه استفاده از DNA برای ایجاد انواع مختلف سلول و چگونگی ایجاد تغییرات دینامیکی در حالات سلولی، نه تنها در بافت انسان، بلکه در مگس‌های میوه، تخصص دارد. Aerts افزود: “مغز مگس میوه حاوی “فقط” حدود 220000 سلول است، مقیاسی که اکنون برای بررسی تنوع کامل همه انواع سلول ها امکان پذیر شده است.
کد DNA تقویت کننده ها هنوز یک راز است
به گفته Aerts، کد DNA تقویت کننده ها تا حد زیادی ناشناخته است.
او گفت: “از اهمیت اصلی برای هویت سلولی، تطابق بین فاکتورهای رونویسی و تقویت کننده ها در DNA است.” فاکتورهای رونویسی پروتئین‌هایی هستند که اطلاعات تنظیمی در سلول‌های ما را با شناسایی تقویت‌کننده‌ها رمزگشایی می‌کنند و در نتیجه قطعات خاصی از DNA را در دسترس قرار می‌دهند. ما می خواستیم بفهمیم آنها چگونه این کار را می کنند. ما از یک تکنیک اخیراً توسعه‌یافته به نام سنجش تک سلولی برای کروماتین قابل دسترسی به ترانسپوزاز با توالی‌یابی (scATAC-seq) استفاده کردیم تا تمام تقویت‌کننده‌هایی را که در یک نوع سلول خاص در دسترس هستند، در هر زمان مشخص شناسایی کنیم.
آزمایشگاه Aerts از scATAC-seq برای بررسی قابلیت دسترسی به DNA 250000 سلول در طول رشد مغز در مراحل لارو، شفیرگی و بالغ استفاده کرد. این آزمایش ها توسط جاسپر یانسنز و ابراهیم احسان تاسکیران، هر دو کاندیدای دکترا، و سارا ایبار، دکترا، هدایت شدند. هر سه محقق اولیه در تیم Aerts هستند.
Janssens خاطرنشان کرد: «اطلس ما نشان داد که همه انواع سلول‌های مغز مگس دارای پروفایل‌های دسترسی به DNA منحصربه‌فرد هستند، با ده‌ها هزار منطقه قابل دسترس در هر نوع سلول». ما بیش از 96000 تقویت کننده بالقوه را شناسایی کردیم که حدود یک سوم کل ژنوم مگس را پوشش می دهد!
آیبار افزود: «سپس از یادگیری عمیق برای ادغام این اطلاعات در مورد دسترسی به DNA با بیان ژن استفاده کردیم تا آنچه را که «شبکه های تنظیم کننده ژن مبتنی بر تقویت کننده» می نامیم بسازیم. این شبکه‌ها توضیح می‌دهند که کدام عوامل رونویسی به کدام تقویت‌کننده‌ها متصل می‌شوند تا ژن‌های هدف خاص را تنظیم کنند. به این ترتیب، ما می‌توانیم تأثیر یک عامل بر روی DNA و عملکرد سلول را پیش‌بینی کنیم و انواع سلول‌های عصبی و گلیال را از تولد تا بلوغ ردیابی کنیم.»
تاسکیران خاطرنشان کرد: «با رویکرد یادگیری عمیق خود، می‌توانیم موتیف‌هایی را که الگوریتم‌های مرسوم از قلم افتاده‌اند، آشکار کنیم. “به این ترتیب، ما قوانین جدیدی را در مورد چگونگی ساخت تقویت کننده ها و اینکه کدام توالی برای عملکرد آنها مهم است، شناسایی کردیم.”
از مگس گرفته تا انسان
Aerts گفت: “البته، نتایج ما نقطه شروعی برای تجزیه و تحلیل ژنتیکی بسیار ریزدانه فضایی-زمانی در مگس میوه است.” حدود دو سوم از فاکتورهای رونویسی در شبکه‌هایی که ما شناسایی کردیم با نقص‌های مغزی شناخته شده یا بیماری‌های انسانی مرتبط هستند و پایه‌ای برای مطالعات بعدی فراهم می‌کنند. در واقع، رشد مغز به طرز شگفت آوری از طریق تکامل حفظ می شود!»
قوانین ساختمانی برای تقویت‌کننده‌ها که در این مطالعه نشان داده شده‌اند نیز می‌توانند برای طراحی تقویت‌کننده‌هایی استفاده شوند که یک نوع سلول را در یک نقطه زمانی خاص هدف قرار می‌دهند و دستکاری و مشخص کردن سلول‌های خاص را آسان‌تر می‌کنند. Aerts اشاره کرد که این ابزارهای جدید منجر به درک بهتر نورون های مختلف در مغز می شود. برای به حداکثر رساندن ارزش این بینش های جدید برای جامعه علمی، محققان تمام داده ها را به صورت آنلاین در دسترس عموم قرار دادند.
به گفته Aerts، این مطالعه مگس میوه یک پله مهم برای درک بهتر تنظیم ژن در انسان نیز فراهم می کند.
او گفت: «با توجه به کار در حال انجام در بافت موش و انسان و پیشرفت‌های بیشتر در فناوری، این که شبکه‌های مشابهی برای سلول‌های مغز انسان نیز ساخته شود، فقط مسئله زمان است.» پس از آن می توان از اینها به عنوان نقطه شروع برای طراحی تقویت کننده های ژن درمانی برای درمان بیماری های عصبی استفاده کرد.
Aerts عضو یک کنسرسیوم اروپایی است که هدف آن ردیابی، درک و هدف قرار دادن سلول‌های انسانی در طول شروع و پیشرفت بیماری و تجزیه و تحلیل پاسخ آنها به درمان با وضوح تک سلولی است.
او در پایان گفت: «من متقاعد شده‌ام که پیشرفت‌های کنونی در فناوری تک سلولی، یادگیری عمیق و بیوانفورماتیک نحوه مقابله با چالش‌های پزشکی مانند سرطان و بیماری‌های مغزی را در طول زندگی‌مان تغییر خواهد داد.»