Betegségek titkait rejtik a genom néma szakaszai

2015.01.18. 08:09

Kanadai kutatók mesterséges intelligenciával keresik a rákhoz, az autizmushoz és egyéb betegségekhez vezető mutációkat a genom szürke zónáiban.

„A genom. Megvan a könyv. Nehéz olvasmány” – fogalmazott Eric Lander biológus, az emberi génállomány megfejtésének egyik úttörője arra a csalódásra utalva, amely a humán genom 2003-as feltérképezését követő években úrrá lett a tudóstársadalmon. Immár több mint egy évtizede ismerjük fajunk DNS-ének teljes szövegét, ám továbbra is nagyrészt ismeretlen előttünk, melyek azok a „betűhibák” – mutációk – az egyes emberek örökítőanyagában, amelyek a különböző betegségekért felelőssé tehetők.

Számítógéppel derítik fel a mutációkat

A Torontói Egyetem kutatói Brendan Frey, a Canadian Institute for Advanced Research professzora irányításával most olyan számítógépes eljárást dolgoztak ki, amely segíthet kideríteni, hogy a megszámlálhatatlan DNS-szövegváltozat közül melyek ártalmatlanok, s melyek hajlamosítanak valamilyen betegség kialakulására. Eredményeiket a Science december 18-i számában közölték.

DNS-minták vizsgálataForrás: AFP/Boris Roessler

Számos korábbi kutatással ellentétben, Freyék csapata nem csak a gének fehérjéket kódoló szakaszaira – az exonokra – összpontosított, hanem vizsgálódását kiterjesztette a fehérjekódoló szakaszok közé ékelt néma, ám a DNS átírását befolyásoló ún. intronokra is.

Splicing

Érthető, hogy az elemzők figyelme eddig jobbára az exonokra irányult, hiszen az e szakaszokon található mutációk nagyon is nyilvánvaló módon befolyásolják a fehérjét alkotó aminosavak milyenségét. Az intronok ugyanakkor, bár nem tartalmaznak közvetlen információt a fehérjék aminosavsorrendjére vonatkozóan, fontos utasításokkal látják el a sejt DNS-olvasó masinériáját arról, miként szerkessze egységes szöveggé az egymást követő exonokat.

Ez a „splicing”-nak nevezett összefűző művelet kulcsfontosságú lépés a genetikai információ áramlásában, és zavarait számos betegségben kimutatták már. Freyék abban a reményben fogtak munkához, hogy az intronokból „kihalászott” mutációk elemzésével olyan betegségek genetikai hátterét is fel tudják tárni, amelyeket az exonokban található mutációkkal nem sikerült kielégítően megmagyarázni.

Intelligens program

Frey és munkatársai egy intelligens számítógépes programot hoztak létre, amely betanítható arra, hogy felismerje a DNS-ben a splicingot befolyásoló régiókat. A programnak először sok ezer olyan DNS-szakaszt mutattak be, amelyről ismeretes, hogy splicinggal kapcsolatos információt hordoz.

A szoftver e tanulási fázisban közös vonásokat keresett a bemutatott DNS-motívumok között – kiismerte „a splicing kódját”, ahogy Freyék elnevezték –, majd ezzel a tudással felvértezve a teljes genomot végigböngészte, hogy korábban ismeretlen, a splicingot befolyásoló génszakaszokat azonosítson.

Forrás: AFP/Science Photo Library

Ezután elemezte, hogy az adatbázisokban tárolt DNS-szövegváltozatok közül melyek milyen valószínűséggel szólnak bele az általuk érintett területen zajló splicingba. Végül összehasonlította az így feltérképezett mutációk gyakoriságát a különböző betegségekben szenvedő alanyokban, illetve kontrollszemélyekben, hogy kiderüljön, melyik mutáció lehet kapcsolatos a vizsgált betegséggel.

Sok ismeretlen mutációt felderített a program

A csoport megelégedéssel nyugtázta, hogy az intelligens program mindenféle további instrukció nélkül, lényegében vakon dolgozva 94 százalékos sikerrel rátalált egy sor ismerten betegségokozó mutációra. Ehhez a teszthez két betegséget elemeztettek a számítógéppel: a vastagbélrákot, valamint a csecsemőkori halált okozó gerincvelői eredetű izomsorvadást, amelyek genetikai háttéréről viszonylag sokat tudunk. Ami azonban ennél is fontosabb, hogy az új algoritmus segítségével olyan mutációkat is sikerült azonosítani, amelyek betegségben játszott szerepét korábban nem sejtette senki.

Miután a program bizonyította erejét a betegségokozó mutációk kikeresése terén, a kutatók elérkezettnek látták az időt a nagy kihívásra: az intelligens algoritmust „ráeresztették” egy genetikáját tekintve roppant összetett betegségcsoportra, az autizmus spektrumzavarra. Hiába tudjuk régen, hogy az autizmusra való hajlam erősen örökletes, mindeddig csupán néhány tucat gyanús gént sikerült fülön csípni, és ezek is csak az autizmus spektrumzavarral élők elenyésző hányadában magyarázzák a betegséget.

Harminckilenc új gént találtak, amely szerepet játszhat az autizmusban

A torontói SickKids gyermekkórház alkalmazott genomikai központjának igazgatójával, Dr. Stephen Schererrel együttműködve Freyék olyan mutációkat kerestek, amelyek az autizmussal élő gyerekek génállományában nagyobb gyakorisággal voltak fellelhetők, mint más gyerekekében. A hagyományos, csak az exonokat figyelembe vevő eljárással nem találtak különbséget, viszont az új, splicingot érintő variánsokat figyelő programmal feltűnő mintázatra akadtak.

Forrás: AFP

Aszerint osztályozva a mutációkat, hogy azok milyen valószínűséggel okoznak eltérést a splicingban, 39 olyan új gént találtak, amelyek feltehetőleg hozzájárulnak az autizmusra való hajlamhoz. Ezzel az autizmusban potenciálisan szerepet játszó gének száma egy csapásra mintegy 40 százalékkal emelkedett, mivel korábban mintegy 100 gént hoztak összefüggésbe e rendellenességgel.

Freyék hangsúlyozzák: az autizmus vizsgálata csupán a kezdet, hiszen a módszer bármilyen betegségre, sőt, az emberek közti bármilyen, örökletes alapú különbségre alkalmazható.