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来源:ScienceAl
编辑:coisini
人类基因组由约 30 亿个 DNA 碱基对组成,其中大部分仍是未解之谜。科学家对编码蛋白质的 2% 人类基因组有较好理解,但对剩余 98% 的基因组区域认知十分有限。
去年,谷歌 DeepMind 发布了 AlphaGenome 模型,它以 1 兆碱基的 DNA 序列作为输入,能够预测数千个功能基因组轨迹,最高可达单碱基对分辨率,涵盖多种模态,包括基因表达、转录起始、染色质可及性、组蛋白修饰、转录因子结合、染色质接触图谱、剪接位点使用情况以及剪接连接点的坐标和强度。
现在,谷歌 DeepMind 宣布推出 AlphaGenome Atlas—— 一个可预测人类基因组中每一个可能单核苷酸变异影响的数据库。研究团队利用 AlphaGenome 模型预计算了全部 90 亿个单字母遗传变化的调控影响,生成了一个规模达 1PB 的庞大数据集,即 AlphaGenome Atlas。
为便于研究人员高效浏览数据,Atlas 引入了 AlphaGenome 变异影响(AVI)评分。这一单一、易用的评分整合了对编码区和非编码区的预测,使研究人员无需筛选成千上万个数据点,即可快速锁定最有前景的研究方向。
AlphaGenome Atlas 现已通过网站提供访问权限,无需任何编程技能,从而让全球临床研究人员和生物学家都能平等获取。
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网站地址:https://deepmind.google.com/science/alphagenome/atlas
论文地址:https://storage.googleapis.com/deepmind-media/DeepMind.com/Blog/alphagenome-atlas-a-predictive-map-of-every-possible-dna-letter-change-in-the-human-genome/alphagenome-atlas.pdf
AlphaGenome Atlas
AlphaGenome Atlas 规模达 1 PB,是 AlphaFold 数据库的 30 多倍。2022 年,AlphaFold 数据库将可用的 3D 结构信息从约 19 万个实验结构扩展到超过 2 亿个结构预测,涵盖了科学界已知的几乎所有已编目蛋白质。
AlphaFold 数据库使大规模蛋白质结构分析变得更加容易,成为推动生命科学发现的关键资源。类似地,AlphaGenome Atlas 提供了多个强大且相互关联的资源,使研究人员能够将变异直接与它们所破坏的功能性 DNA 序列联系起来。
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AlphaGenome Atlas 提供:
分子效应预测图谱:包含针对每个变异的数千种分子效应预测,涵盖基因调控的多个重要方面,横跨数百种人类和小鼠细胞类型及组织。
AVI 评分:一个描述每个基因变异影响程度的单一数值。AVI 结合了 AlphaGenome 和 AlphaMissense(用于预测改变蛋白质的 DNA 变异影响的模型)的优势,研究人员可以同时对变异进行快速排序并解读其分子效应。
AVI 特征归因:每个 AVI 评分还关联了驱动该评分的不同生物学特征。
DNA 序列基序:一个包含超过 2500 个重复性 DNA 序列及其位置的全面集合。
这些资源共同支持研究人员开展广泛的遗传学研究任务,从快速变异排序到深入探究变异功能。
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实验测试表明,AVI 评分在多种变异致病性和罕见病基准测试中均表现出最佳性能。AVI 特征归因则突出显示每个变异最可能破坏哪些分子过程,如 RNA 剪接或基因表达。
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帮助研究人员破解生物学难题
AlphaGenome Atlas 提供了基因组的高分辨率全局视图。通过将这些数据转化为可操作的生物学见解,谷歌 DeepMind 已经与学术研究人员合作,探究了遗传变异与疾病之间的关联。
理解未解决的罕见病。理解罕见病的一个主要障碍是,从数千个候选变异中精确定位少数致病变异。在与 GREGoR 联盟的合作中,研究人员应用 AVI 评分来优先排序这些「大海捞针」式的遗传变异。当博德研究所的研究人员使用 AVI 评分来优先排序此前研究中被忽视的、导致罕见病的变异时,团队发现了一个影响 DNM1 基因的变异,该基因与癫痫性脑病密切相关。
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关键在于,支撑 AVI 评分的 AlphaGenome 预测精确显示了该变异的作用机制:它创建了一个错误的剪接位点,导致所得蛋白质发生异常延伸。实验验证证实了研究预测,并发现了具有类似效应的邻近变异,表明 Atlas 是理解有影响力的基因组变异的强大工具。
绘制与蛋白质水平和复杂性状相关的罕见变异图谱。AlphaGenome Atlas 有助于揭示普通人群中常见性状的遗传结构。识别哪些罕见的非编码变异与特定性状或疾病相关是出了名的困难,因为大量无害的遗传变化形成了统计上的「背景噪音」。
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埃克塞特大学医学研究委员会研究员 Gareth Hawkes 将 AlphaGenome Atlas 应用于来自超过 54000 名英国生物银行参与者的全基因组数据。通过根据预测的分子效应对罕见变异进行分组,Hawkes 发现了超过 22% 的非编码遗传关联,而这些关联原本在统计噪音中无法被检测到。这使得 Hawkes 能够精确定位驱动人体内循环的关键蛋白质丰度的特定调控变异,包括 PLA2G7(与衰老相关)和 EGLN1(重要的细胞氧传感器)。
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识别基因组的调控「单词」。Atlas 还可用于识别哪些重复出现的短序列(即基序)在不同细胞类型中针对不同基因驱动不同的分子过程。这些基序可以提供关键线索,例如定位转录因子的结合位点,并为非编码变异提供额外解读。斯托尔斯医学研究所的 Julia Zeitlinger 和 Melanie Weilert 利用 AlphaGenome Atlas,对转录因子进行了分类,区分出哪些仅影响 DNA 可及性,哪些还能够开启或关闭基因。
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总的来说,AlphaGenome Atlas 将使研究人员和行业合作伙伴能够加速生物学发现的步伐:寻找新的治疗靶点,更好地理解遗传疾病,并推动下一波有针对性的实验验证。
https://blog.google/innovation-and-ai/models-and-research/google-deepmind/alphagenome-atlas/?utm_source=chatgpt.com
https://deepmind.google/blog/alphagenome-atlas-a-predictive-map-of-every-possible-dna-letter-change-in-the-human-genome/
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