Журнал Scientific Reports опубликовал результаты захватывающего исследования о структуре ДНК. Молекула ДНК, знакомая нам как двойная спираль в форме винтовой лестницы, содержит пары азотистых оснований в роли перекладин и сахарно-фосфатные цепочки в качестве перил. Удивительное свойство некоторых участков ДНК заключается в их способности временно изменять направление закручивания с правого на левое, что влияет на активность генов. Эти уникальные участки получили название Z-флипоны из-за визуального сходства с буквой Z.
Международный коллектив специалистов из лаборатории биоинформатики Института искусственного интеллекта и цифровых наук совместно с экспертами InsideOutBio провел масштабное исследование геномов человека и мыши. Целью работы стало определение точного расположения Z-флипонов и раскрытие их функциональной роли. Ученые применили эволюционный подход, исследуя сохранность участков Z-ДНК у разных видов, что позволило выявить их значимость для жизнедеятельности организма.
Инновационная система машинного обучения DeepZ стала ключевым инструментом исследования. Она анализировала не только последовательности ДНК, но и огромный массив данных омиксных экспериментов, включая информацию об эпигенетических маркерах – специальных химических метках на ДНК и белках, регулирующих активность генов без изменения их структуры. Исследователи также учли энергетические параметры структурных изменений ДНК. На основе этих данных были созданы две модели машинного обучения, которые успешно идентифицировали вероятные участки Z-ДНК в геномах обоих видов.
Исследование принесло впечатляющие результаты в систематизации данных о Z-флипонах в геномах человека и мыши. Ученые убедительно доказали эволюционную консервативность этих элементов, что подчеркивает их фундаментальную важность для живых организмов. Применение кластерного анализа позволило выявить функциональную специализацию Z-флипонов: часть из них участвует в регуляции транскрипции, другие отвечают за организацию хроматина – особой упаковки ДНК в клетке.
Прорывным открытием стало научное подтверждение способности Z-флипонов ускорять процесс инициации транскрипции – важнейший этап создания РНК-копий генов. Эта особенность существенно повышает адаптивные возможности клеток, что особенно значимо для генов, ответственных за развитие нервной системы и других ключевых процессов жизнедеятельности.
Мария Попцова, руководитель Международной лаборатории биоинформатики, предложила наглядное сравнение процесса транскрипции с работой копировальных машин: «РНК-полимераза действует как миниатюрный копировальный аппарат, присоединяясь к определенному участку ДНК для создания РНК-копии. При необходимости получения множества копий несколько таких ‘копировальных машин’ работают одновременно. ДНК выступает в роли книги, вдоль которой движутся эти молекулярные копировальные устройства, создавая копии. Эффективность процесса зависит от слаженной работы этих ‘машин’, где каждая новая начинает работу сразу после завершения предыдущей. Именно частота запуска новых копий определяет скорость инициации транскрипции».
В результате исследования создан специализированный веб-ресурс, предоставляющий доступ к алгоритмам анализа данных на основе машинного обучения и детальным аннотациям функциональных элементов генома.
Источник: naked-science.ru
