Εννέα δισεκατομμύρια προβλέψεις στο Ensembl

Αφετηρία είναι το ανθρώπινο γονιδίωμα αναφοράς, ένα πρότυπο αντίγραφο των περίπου τριών δισεκατομμυρίων θέσεων του DNA μας. Σε καθεμία βρίσκεται ένα από τέσσερα χημικά «γράμματα». Αν αντικατασταθεί από μία από τις τρεις εναλλακτικές επιλογές, προκύπτει μια υποθετική μετάλλαξη. Το μοντέλο AlphaGenome της Google DeepMind προσομοίωσε όλες τις δυνατές αντικαταστάσεις ενός γράμματος και δημιούργησε περίπου εννέα δισεκατομμύρια εγγραφές, καθεμία με κατά μέσο όρο περίπου 27.000 προβλέψεις μοριακών επιδράσεων σε διαφορετικούς ιστούς και τύπους κυττάρων (DeepMind). Ο Άτλαντας που προέκυψε καλύπτει επίσης περισσότερες από 100 εκατομμύρια μικρές προσθήκες και διαγραφές γενετικού υλικού, οι οποίες έχουν ήδη καταγραφεί σε βάσεις δεδομένων πληθυσμών (προδημοσίευση του Atlas).

Οι εγγραφές αυτές δεν αποτελούν πειραματικές μετρήσεις, αλλά εκτιμήσεις του μοντέλου για το τι θα άλλαζε αν εμφανιζόταν κάθε παραλλαγή. Η αξία του εργαλείου θα κριθεί, επομένως, από το κατά πόσον αυτές οι προβλέψεις βοηθούν τους ερευνητές να εντοπίζουν τις γενετικές παραλλαγές που έχουν πραγματική βιολογική ή κλινική σημασία.

Μια κρυμμένη παραλλαγή και μια ένδειξη που αφορά ειδικά τον εγκέφαλο

Το πιο συγκεκριμένο παράδειγμα αφορά άτομο με σοβαρή επιληπτική εγκεφαλοπάθεια, για το οποίο η γενετική αλληλούχηση δεν είχε δώσει απάντηση. Ερευνητές του Broad Institute, σε συνεργασία με το GREGoR Consortium και την ομάδα του AlphaGenome, χρησιμοποίησαν τη συνοπτική βαθμολογία του Atlas, γνωστή ως AVI (AlphaGenome Variant Impact), για να επανιεραρχήσουν τις παραλλαγές του ασθενούς. Με αυτόν τον τρόπο αναδείχθηκε μια αλλαγή κρυμμένη βαθιά σε ένα εσώνιο του γονιδίου DNM1 (Fortune). Το εσώνιο είναι τμήμα του DNA που αφαιρείται προτού οι οδηγίες ενός γονιδίου μεταφραστούν σε πρωτεΐνη. Οι αναλύσεις σπάνια εστιάζουν σε αυτές τις περιοχές, ενώ προηγούμενη εξέταση RNA από αίμα δεν είχε καταλήξει σε σαφές αποτέλεσμα, επειδή το DNM1 εμφανίζει ελάχιστη δραστηριότητα στα αιμοσφαίρια.

Μια χωριστή ανάλυση της προέλευσης της βαθμολογίας υπολόγισε ότι το 69% του σήματος AVI οφειλόταν σε προβλεπόμενες επιδράσεις στο μάτισμα, δηλαδή στη διαδικασία με την οποία τα κύτταρα κόβουν και ενώνουν τμήματα του RNA πριν παραγάγουν πρωτεΐνες. Σύμφωνα με το μοντέλο, η παραλλαγή δημιουργούσε μια μη φυσιολογική θέση ματίσματος σε μορφή του γονιδίου που εκφράζεται ειδικά στον εγκέφαλο, με αποτέλεσμα να προστίθενται 13 αμινοξέα στην παραγόμενη πρωτεΐνη (Fortune, DeepMind). Εργαστηριακή δοκιμή αναπαρήγαγε την προβλεπόμενη μεταβολή στο μάτισμα και η παραλλαγή επαναταξινομήθηκε ως πιθανώς παθογόνος, μια επίσημη κατηγορία αξιολόγησης που συνυπολογίζει το οικογενειακό ιστορικό, τον τρόπο κληρονόμησης και τα λειτουργικά δεδομένα (προδημοσίευση του Atlas).

Η ακολουθία των βημάτων δείχνει τον πραγματικό ρόλο του εργαλείου: η βαθμολογία ανέβασε την παραλλαγή στην κατάταξη, η ανάλυση υπέδειξε ότι έπρεπε να εξεταστεί το μάτισμα και η εργαστηριακή δοκιμή επιβεβαίωσε την προβλεπόμενη διαταραχή. Το μοντέλο δεν διέγνωσε αυτοτελώς τον ασθενή, ενώ η δημοσιευμένη περιγραφή δεν παραθέτει όλα τα στάδια που οδήγησαν στην τελική ταξινόμηση (Nature).

Η σύγκριση και τα επόμενα βήματα

Η προδημοσίευση του Atlas παρουσιάζει αναδρομτικές δοκιμές σε ήδη διαγνωσμένα περιστατικά σπάνιων νοσημάτων από το GREGoR Consortium. Το AVI κατέταξε τη γνωστή αιτιολογική παραλλαγή μεταξύ των 50 επικρατέστερων υποψηφίων ενός ασθενούς στο 29,5% των περιπτώσεων, έναντι 12,5% για το CADD, το καθιερωμένο επί χρόνια εργαλείο βαθμολόγησης ολόκληρου του γονιδιώματος (προδημοσίευση του Atlas). Η μεγαλύτερη διαφορά καταγράφηκε στις μη κωδικοποιητικές περιοχές, οι οποίες αποτελούν τη συντριπτική πλειονότητα του γονιδιώματος και βρίσκονται έξω από τις αλληλουχίες που περιέχουν τις οδηγίες παραγωγής πρωτεϊνών, όπου η ερμηνεία παραμένει δυσκολότερη. Ο ερευνητής της DeepMind Ζίγκα Άβσετς έχει αναγνωρίσει ότι οι επιδόσεις είναι ασθενέστερες για ορισμένες επιδράσεις των ενισχυτών, δηλαδή απομακρυσμένων τμημάτων του DNA που ρυθμίζουν τη λειτουργία γονιδίων (Fortune).

Πρόκειται, πάντως, για συγκρίσεις κατάταξης σε επιμελημένα περιστατικά των οποίων η αιτία ήταν ήδη γνωστή, με τη συμμετοχή συνεργατών της DeepMind, και τα αποτελέσματα έχουν δημοσιευθεί μόνο ως προδημοσίευση. Η αναδρομική ανάκτηση μιας γνωστής απάντησης είναι διαφορετικό εγχείρημα από την αύξηση των διαγνώσεων σε ασθενείς των οποίων τα περιστατικά παραμένουν πράγματι ανεξήγητα.

Στις 9 Σεπτεμβρίου, ο ευρωπαϊκός δημόσιος κόμβος βιοπληροφορικής EMBL-EBI ανακοίνωσε ότι η βαθμολογία AVI είναι πλέον διαθέσιμη μέσω του Ensembl Variant Effect Predictor (VEP), του συστήματος σχολιασμού με το οποίο οι ερευνητές μετατρέπουν τα ακατέργαστα γενετικά δεδομένα σε ερμηνεύσιμα αποτελέσματα (EMBL-EBI). Το VEP χρησιμοποιείται ήδη στις υποδομές επεξεργασίας κλινικών και ερευνητικών εργαστηρίων. Με την προσθήκη του AVI, ένα εργαστήριο μπορεί να ανακτά τη βαθμολογία μαζί με τις επιπτώσεις στα γονίδια και τις συχνότητες εμφάνισης στον πληθυσμό, στο πλαίσιο της ίδιας μαζικής επεξεργασίας, χωρίς να μεταβαίνει σε ξεχωριστή πύλη της Google. Η ενσωμάτωση στο VEP διευκολύνει την πρόσβαση στη βαθμολογία, αλλά δεν αποτελεί πιστοποίηση της κλινικής αξιοπιστίας της. Η DeepMind διευκρινίζει ότι το AlphaGenome ούτε έχει επικυρωθεί ούτε έχει εγκριθεί για κλινική χρήση (DeepMind).

Στο περιστατικό του DNM1, το AlphaGenome βοήθησε τους ερευνητές να δώσουν προτεραιότητα σε μια παραγνωρισμένη παραλλαγή και διατύπωσε μια υπόθεση για το μάτισμα, την οποία μπορούσε να ελέγξει το εργαστήριο. Το αν η ίδια διαδικασία θα αυξήσει τις διαγνώσεις σε μεγάλη κλίμακα θα κριθεί από προοπτικές μελέτες ανεξάρτητων ομάδων, οι οποίες θα εξετάσουν ανεπίλυτα περιστατικά αντί να αναζητούν εκ των υστέρων ήδη γνωστές απαντήσεις.