پزشکی و سلامت ,علمی، پژوهشی و فناوری

پیشرفت هوش مصنوعی استنفورد سرنخ های ژنتیکی جدیدی را برای اختلالات روانپزشکی نشان می دهد

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری :محققان در Stanford Medicine یک روش مبتنی بر هوش مصنوعی برای شناسایی انواع ساختاری پیچیده در ژنوم انسان ایجاد کرده‌اند که بینش‌هایی را در مورد عوامل ژنتیکی مؤثر بر اختلالات روانپزشکی مانند اسکیزوفرنی و اختلال دوقطبی نشان می‌دهد.

این مطالعه از داده‌های توالی‌یابی کل ژنوم از بیش از 4000 ژنوم در سراسر جهان استفاده کرد و انواع ژن‌های مرتبط با مغز و مناطق مرتبط با تکامل انسان را برجسته کرد. این تجزیه و تحلیل ژنتیکی پیشرفته می تواند درک ما از شرایط روانپزشکی ارثی را بهبود بخشد و درک دقیق تری از مکانیسم های بیماری و راه های درمان ارائه دهد.

پیچیدگی ژنوم انسان

ژنوم انسان که از 3 میلیارد جفت باز تشکیل شده است - آدنین با تیمین و سیتوزین جفت شده با گوانین - چیزی بیش از یک طرح اولیه برای بدن ما است. تغییرات در توالی این جفت‌های پایه می‌تواند منشأ بیماری‌ها را آشکار کند و تاریخچه تکاملی ما را ردیابی کند. این تغییرات از مبادله‌های ساده شامل چند جفت پایه تا تغییرات پیچیده‌تر، مانند زمانی که هزاران جفت پایه به طور کامل بخش‌ها را برمی‌گردانند یا از دست می‌دهند، متغیر است.

توالی یابی کل ژنوم، تکنیک فعلی برای خواندن کدهای ژنتیکی، در تشخیص تغییرات ساده موثر است. با این حال، با تغییرات ساختاری پیچیده تری دست و پنجه نرم می کند. یک مطالعه جدید به رهبری Stanford Medicine یک روش مبتنی بر هوش مصنوعی را توسعه داده است که اکنون می تواند این گونه های ساختاری پیچیده را در داده های توالی یابی کل ژنوم شناسایی کند.

ارتباط انواع ژنتیکی با اختلالات روانپزشکی

این مطالعه که اخیراً در مجله Cell منتشر شد ، فهرستی از انواع ساختاری پیچیده با استفاده از بیش از 4000 ژنوم انسانی از سراسر جهان ایجاد کرد. این گونه ها اغلب در ژن های حاکم بر مغز رخ می دهند و در مناطقی از ژنوم مرتبط با تکامل انسان یافت می شوند. محققان همچنین نشان دادند که برخی از انواع پیچیده ساختاری بر نحوه خواندن دستورالعمل های موجود در ژن های مرتبط با مغز در مغز افرادی که مبتلا به اسکیزوفرنی یا اختلال دوقطبی تشخیص داده شده بودند، تأثیر می گذارد.

نویسنده ارشد این پژوهش گفت: «این کار گامی بزرگ به جلو در کشف مبنای ژنتیکی و مولکولی اختلالات روانپزشکی است و نشان می‌دهد که بیماری‌های مرتبط با مغز و به طور کلی اختلالاتی که دارای یک مؤلفه ژنتیکی قوی هستند، باید تجزیه و تحلیل پیچیده ساختاری داشته باشند». دکتر الکساندر اوربان، دانشیار روانپزشکی و علوم رفتاری و ژنتیک را مطالعه کنید. هر توالی کل ژنوم باید از طریق این الگوریتم جدید اجرا شود. این به ما امکان می دهد تا پاسخ های مهمی را در داده هایی که در حال حاضر نادیده گرفته شده اند، کشف کنیم.

دکتر Urban و Wing Wong، خانواده Stephen R. Pierce، پروفسور علوم و سلامت انسان، Goldman Sachs و استاد آمار و علم داده های زیست پزشکی، از نویسندگان ارشد بودند.

 الگوریتم جدید بر روی ده‌ها ژنوم کامل انسانی آموزش داده شده است و دارای دقت 95 درصدی در شناسایی انواع ساختاری پیچیده است که می‌تواند شامل بخش‌های طولانی از DNA باشد. کروموزوم سمت راست دارای یک نوع ساختاری پیچیده است - یک بخش گمشده از DNA (B، نارنجی) و بخشی از DNA که به عقب برگشته است (C، بنفش) - که کروموزوم سمت چپ آن را ندارد. اعتبار: Emily Moskal/Stanford Medicine

افزایش درک بیماری های روانپزشکی

تقریباً تمام تغییراتی که تاکنون در ژنوم انسان کشف شده اند ساده هستند. اما خروجی الگوریتم جدید نشان داد که هر ژنوم بین 80 تا 100 تغییر ساختاری پیچیده نیز دارد.

اوربان گفت: «تنها به دنبال تغییرات ساده مانند تصحیح نسخه خطی کتاب و جستجوی انحصاری برای اشتباهات تایپی است که حروف را تغییر می‌دهند. "شما کلماتی را که درهم یا تکراری هستند یا به ترتیب اشتباهی هستند نادیده می گیرید - حتی ممکن است فراموش کنید که نیم فصل از بین رفته است. همه این موارد باید قبل از ارسال نسخه خطی به چاپخانه گرفته شود.»

کشف انواع ژنتیکی مبتنی بر هوش مصنوعی
الگوریتم بازسازی خودکار انواع پیچیده ساختاری، به اختصار ARC-SV، انواع بازآرایی های DNA را می گیرد و دارای دقت 95 درصدی در یافتن انواع ساختاری پیچیده است. این الگوریتم از یک مدل هوش مصنوعی استفاده می‌کند و بر روی ده‌ها ژنوم کامل انسانی، به نام پانژنوم، از افراد با اجداد مختلف آموزش داده شده است.

این الگوریتم بیش از 8000 گونه ساختاری پیچیده متمایز را پیدا کرد که طول آنها بین 200 تا 100000 جفت پایه بود. بسیاری از گونه ها در مناطقی از ژنوم قرار داشتند که رشد و عملکرد مغز را تنظیم می کنند. محققان با دقت بیشتری به این موضوع پرداختند که آیا این گونه ها با بیماری های روانپزشکی مرتبط هستند یا خیر.  

تجزیه و تحلیل ژنتیک و تشخیص روانپزشکی
توانایی یافتن و مطالعه آسان تغییرات ساختاری پیچیده می‌تواند به توضیح اینکه کدام تغییرات در ژنوم منجر به بیماری‌های روان‌پزشکی می‌شود کمک کند. این مطالعه دو بیماری از این قبیل، اسکیزوفرنی و اختلال دوقطبی را مورد بررسی قرار داد. مطالعات انجمن گسترده ژنوم، به نام GWAS، مکان‌های زیادی را در ژنوم شناسایی کرده‌اند که خطر ابتلا به بیماری روانپزشکی را در خود دارند. اما نتایج GWAS در توضیح خطر ژنتیکی با جزئیات کافی برای اقدام بر روی آن کوتاهی می‌کند.

اوربان گفت: «ما در شناسایی مؤلفه‌های ژنتیکی بیماری‌های روانپزشکی پیشرفت شگفت‌انگیزی داشته‌ایم، اما هنوز چیز مهمی گم شده است.» «نتایج GWAS به ما می گوید که در ژنوم برخی تغییرات DNA مربوط به یک اختلال در کجا قرار دارد. اما اطلاعات GWAS تا حدودی مبهم است. مثل این است که بدانید در جایی در صفحات 118، 237 و 304 یک کتاب اشتباهاتی وجود دارد. اما ما نمی دانیم که آنها چه نوع اشتباهاتی دارند یا چه کلماتی در آن دخیل هستند.»

دقت در تحقیقات ژنتیکی
اوربان توضیح داد که در حالی که نتایج GWAS ممکن است محققان را به جستجوی اشتباهی در صفحه 118 هدایت کند، دانستن توالی انواع ساختاری پیچیده مانند داشتن برجسته زرد در جمله واقعی 10 کلمه‌ای در آن صفحه است که یک کلمه درهم و یک کلمه تکراری دارد.

او گفت: "دقیقا همینطور است."

پیامدها برای درک و درمان بیماری

محققان خروجی الگوریتم ARC-SV را مورد آزمایش قرار دادند. آنها از توالی های کل ژنوم همراه با اندازه گیری بیان ژن از بیش از 100 نمونه بافت مغز پس از مرگ افراد سالم و افرادی که مبتلا به اسکیزوفرنی یا اختلال دوقطبی تشخیص داده شده بودند، استفاده کردند تا بررسی کنند که چه تغییرات ساختاری پیچیده ای ممکن است انجام دهند. واریته‌ها در نزدیکی یا همپوشانی با مکان‌های GWAS قرار دارند که با خطر ابتلا به اسکیزوفرنی یا اختلال دوقطبی مرتبط هستند. واریانت‌های ساختاری پیچیده همچنین بر نحوه بیان ژن‌های مجاور تأثیر می‌گذارند - تغییر بازخوانی دستورالعمل‌های موجود در DNA - که نشان می‌دهد واریانت‌ها می‌توانند در ایجاد بیماری نقش داشته باشند.

دکتر بو ژو گفت: شناسایی و مطالعه انواع پیچیده ساختاری به ما درک بیشتری از روش‌هایی که DNA می‌تواند تغییر کند و سرنخ‌های مولکولی ارائه می‌دهد که به نقشه‌برداری از مسیر عملکرد بیولوژیکی که منجر به بیماری و درمان بیماری می‌شود، می‌دهد. ، مربی روانپزشکی و علوم رفتاری و اولین نویسنده در این مطالعه.

مرجع: "تشخیص و تجزیه و تحلیل تنوع ساختاری پیچیده در ژنوم انسان در بین جمعیت ها و در مغز اهداکنندگان مبتلا به اختلالات روانپزشکی" توسط بو ژو، جوزف جی. آرتور، هانمین گوئو، تهیونگ کیم، یلینگ هوانگ، رینال پتنی، تائو وانگ، سومیا کوندو ، جی ایکس جی لو، هوجون لی، دانیل سی. ناچون، کارولین پورمن، اما ام. مونت، آنیکا کی ویمر، پینگ-پینگ کو، مینی شی، لیکسیا جیانگ، سینچیونگ یانگ، جان اف. فولارد، یاروسلاو بندل، کیران گیردار مینسو کیم، شی چن، ویلیام جی. گرین لیف، لارامی دانکن، هانلی پی جی، ژیانگ ژو، گیلتای سانگ، استفن بی مونتگومری، دین پالجیف، هاینریش زو دونا، پانوس روسوس، آنشول کونداجه، یواخیم اف هال مایر، مایکل پی. اسنایدر، وینگ اچ وانگ و الکساندر ای. اوربان، 30 سپتامبر 2024،  سلول .
DOI: 10.1016/j.cell.2024.09.014

دکتر جوزف جی. آرتور، زیست‌شناس محاسباتی در 10X Genomics، و هانمین گوو، دکترای فوق دکترا در روان‌پزشکی، نیز اولین نویسندگان بودند. محققان دانشگاه ملی پوسان، دانشکده پزشکی ایکان در کوه سینا، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آکادمی علوم بلغارستان، دانشگاه آمریکایی بیروت و مرکز پزشکی جیمز جی پیترز VA در این مطالعه مشارکت داشتند.