Ensembl udostępnia laboratoriom 9 mld prognoz

Punktem wyjścia jest genom referencyjny człowieka, czyli standardowy zapis około trzech miliardów pozycji DNA. W każdej znajduje się jedna z czterech liter oznaczających związki chemiczne. Zastąpienie jej jedną z trzech pozostałych daje hipotetyczną mutację. Model AlphaGenome firmy Google DeepMind przeanalizował wszystkie możliwe pojedyncze zamiany i przygotował około dziewięciu miliardów wpisów. Każdy zawiera średnio mniej więcej 27 000 prognoz dotyczących skutków molekularnych w różnych tkankach i typach komórek (DeepMind). Atlas obejmuje również ponad 100 mln krótkich insercji i delecji, czyli fragmentów DNA dodanych lub utraconych, które odnotowano już w populacyjnych bazach danych (preprint Atlasu).

Nie są to wyniki pomiarów laboratoryjnych, lecz przewidywania modelu: co mogłoby się zmienić, gdyby dana mutacja rzeczywiście wystąpiła. O użyteczności Atlasu przesądzi więc nie jego skala, ale zdolność do wskazywania wariantów genetycznych, które faktycznie mają znaczenie biologiczne.

Ukryty wariant i trop prowadzący do mózgu

Najbardziej konkretny sprawdzian dotyczył osoby z ciężką encefalopatią padaczkową, u której sekwencjonowanie genomu nie pozwoliło wcześniej ustalić przyczyny choroby. Badacze z Broad Institute, współpracujący z GREGoR Consortium i zespołem AlphaGenome, ponownie uporządkowali warianty pacjenta według zbiorczego wskaźnika AVI (AlphaGenome Variant Impact). Wysokie miejsce uzyskała zmiana ukryta głęboko w intronie genu DNM1 (Fortune). Intron to odcinek DNA usuwany, zanim instrukcja genu zostanie wykorzystana do produkcji białka. Takie obszary rzadko trafiają na początek listy podejrzanych. Wcześniejsza analiza RNA z krwi nie dała jednoznacznego wyniku, ponieważ DNM1 jest w komórkach krwi niemal nieaktywny.

Z dodatkowej analizy wynikało, że 69% sygnału AVI wiązało się z przewidywanym zaburzeniem splicingu, czyli wycinania i łączenia fragmentów RNA przed wytworzeniem białka. Według modelu wariant miał tworzyć nieprawidłowe miejsce cięcia w charakterystycznej dla mózgu wersji genu, prowadząc do wstawienia 13 dodatkowych aminokwasów do białka (Fortune; DeepMind). Test laboratoryjny odtworzył prognozowaną zmianę splicingu, po czym wariant zaklasyfikowano jako prawdopodobnie chorobotwórczy. Jest to formalna kategoria oceny uwzględniająca m.in. historię rodzinną, sposób dziedziczenia oraz dane funkcjonalne (preprint Atlasu).

Kolejność działań pokazuje rzeczywistą rolę modelu. Wskaźnik umieścił wariant wysoko na liście, analiza składowych wyniku skierowała badaczy ku testowi splicingu, a doświadczenie potwierdziło przewidywane zaburzenie. AlphaGenome nie postawił samodzielnie diagnozy. Opublikowany opis nie przedstawia też wszystkich etapów, które doprowadziły do zmiany klasyfikacji wariantu (Nature).

Porównanie z innymi narzędziami i następny etap

Autorzy preprintu porównali działanie Atlasu na rozwiązanych wcześniej przypadkach chorób rzadkich z GREGoR Consortium. AVI umieścił znany wariant przyczynowy wśród 50 najwyżej ocenionych kandydatów u 29,5% pacjentów. Dla stosowanego od lat narzędzia CADD wynik wyniósł 12,5% (preprint Atlasu). Największą przewagę odnotowano w regionach niekodujących, które stanowią zdecydowaną większość genomu, lecz leżą poza instrukcjami bezpośrednio określającymi budowę białek i tradycyjnie są najtrudniejsze do interpretacji. Badacz DeepMind Žiga Avsec przyznał zarazem, że model słabiej rozpoznaje niektóre skutki działania enhancerów, czyli odległych fragmentów DNA regulujących aktywność genów (Fortune).

Porównanie dotyczyło starannie wybranych przypadków, których rozwiązanie było już znane. Przeprowadzono je z udziałem współpracowników DeepMind, a rezultaty opublikowano na razie w formie preprintu, przed pełną recenzją naukową. Odnalezienie znanej odpowiedzi w danych historycznych nie dowodzi jeszcze, że narzędzie zwiększy liczbę diagnoz u pacjentów, których przypadki pozostają nierozwiązane.

9 września europejskie centrum bioinformatyczne EMBL-EBI ogłosiło udostępnienie wskaźnika AVI w Ensembl Variant Effect Predictor (VEP), systemie adnotacji używanym do przekształcania surowych danych genetycznych w wyniki możliwe do interpretacji (EMBL-EBI). VEP jest już częścią procesów analitycznych w laboratoriach badawczych i klinicznych. Po włączeniu AVI laboratorium może pobrać jego wartość razem z informacjami o wpływie wariantu na gen oraz jego częstości w populacji, w ramach jednej operacji i bez korzystania z osobnego portalu Google. Integracja ułatwia dostęp do wskaźnika, ale nie stanowi potwierdzenia jego wiarygodności klinicznej. DeepMind zastrzega, że AlphaGenome nie został zwalidowany ani dopuszczony do zastosowań klinicznych (DeepMind).

W przypadku wariantu DNM1 AlphaGenome pomógł wyłonić pomijaną wcześniej zmianę i wskazał konkretny mechanizm zaburzenia splicingu, który można było sprawdzić w laboratorium. O tym, czy taka procedura przełoży się na większą liczbę diagnoz, przesądzą dopiero badania prospektywne prowadzone przez niezależne zespoły na rzeczywiście nierozwiązanych przypadkach, bez podpowiedzi w postaci znanych wcześniej odpowiedzi.