科學(xué)家正在利用機(jī)器學(xué)習(xí)來識別蚊子基因組中的重要DNA序列，這些序列可以調(diào)節(jié)昆蟲細(xì)胞的發(fā)育和行為。該研究項目由美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)資助，可能對疾病控制產(chǎn)生影響，可能有助于利用基因工程控制蚊子種群，或制造傳播疾病的能力降低的蚊子，如瘧疾，對人類

“我們的工作將在蚊子基因組學(xué)和遺傳學(xué)領(lǐng)域開辟新天地，”布法羅大學(xué)Jacobs醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院生物化學(xué)教授Marc Halfon博士說。“蚊子每年造成數(shù)十萬人死亡。盡管我們知道蚊子基因組的序列，但我們幾乎沒有關(guān)于該基因組序列的功能信息。

“我們的工作將采取重要措施來填補(bǔ)這些至關(guān)重要的缺失信息。它將證明我們能夠在各種昆蟲疾病載體的基因組中對調(diào)控元件進(jìn)行功能性注釋，而無需為每種載體提供廣泛且昂貴的新基因組規(guī)模實驗數(shù)據(jù)。”

該項目由國家過敏和傳染病研究所提供的449,000美元資助。它著重于岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)，這是瘧疾傳播的重要載體。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)來解釋蚊子基因組

在每種植物和動物的基因組中，都有調(diào)節(jié)開關(guān) - 控制基因行為的DNA串，指示身體何時何地打開和關(guān)閉不同的基因。

這些調(diào)節(jié)序列很重要，因為它們可以影響物種的交配成功和對殺蟲劑的抗性，Halfon說。此外，調(diào)控機(jī)制對于蚊子的基因工程至關(guān)重要，其中研究人員試圖控制在目標(biāo)動物中引入的外源或突變基因的表達(dá)。

十多年來，Halfon與UB的計算研究中心合作建立了一個名為REDfly的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含超過5,600個不同昆蟲物種的果蠅序列，即果蠅果蠅(Drosophila melanogaster)?，F(xiàn)在，他的團(tuán)隊正在利用這些信息來更多地了解蚊子基因組內(nèi)的調(diào)控機(jī)制。

在伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的計算機(jī)科學(xué)家Saurabh Sinha，Halfon開發(fā)了一個名為SCRMshaw的軟件，它學(xué)習(xí)REDfly中的調(diào)控序列，然后在其他昆蟲的基因組中搜索具有相似性的DNA串。該軟件已經(jīng)成功地鑒定了蚊子中的調(diào)節(jié)序列，其看起來與人眼的果蠅序列完全不同，但具有相似的性狀(例如含有相關(guān)的短3至6個字母的DNA子序列)。

“發(fā)現(xiàn)監(jiān)管要素很難傳統(tǒng)，它是通過一次檢查一個基因的繁瑣的實驗工作來完成的，”Halfon說。“我們想知道如何更快地做到這一點(diǎn)：只要看一下DNA序列，你能告訴監(jiān)管要素在哪里嗎?至少在某些情況下，答案似乎是'是'。”

早期實施SCRMshaw

在蚊子中使用SCRMshaw，Halfon，Sinha及其同事能夠識別一些可能導(dǎo)致基因網(wǎng)絡(luò)活動的調(diào)控序列從腹側(cè)神經(jīng)索的中線 - 類似于人類脊髓 - 轉(zhuǎn)移到側(cè)面在蚊子埃及伊蚊的胚胎形成期間，傳播寨卡，登革熱和基孔肯雅熱。

這項工作于6月21日在線發(fā)表在“ 發(fā)育生物學(xué) ”雜志上，重點(diǎn)介紹了SCRMshaw如何確定非果蠅物種的調(diào)控序列。“它顯示了我們?nèi)绾问褂肧CRMshaw來解決有關(guān)發(fā)展和進(jìn)化的有趣生物學(xué)問題，”Halfon說。下一步是利用新的NIH資金對岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)內(nèi)的監(jiān)管要素進(jìn)行廣泛發(fā)現(xiàn)。

“我們將集中精力確定最有用的監(jiān)管序列，以了解與其作為疾病媒介的作用相關(guān)的蚊子生物學(xué)方面 - 例如，唾液腺或中腸的發(fā)育，或嗅覺 - 或可能對生物防治方法，如影響繁殖的基因，“Halfon說。“一旦我們產(chǎn)生了一套高可信度的監(jiān)管要素預(yù)測，我們就會在轉(zhuǎn)基因蚊子中對它們進(jìn)行測試。”

新的NIH項目是UB和馬里蘭大學(xué)之間的合作。REDfly數(shù)據(jù)庫的持續(xù)發(fā)展將為這一努力提供支持，該數(shù)據(jù)庫得到國家綜合醫(yī)學(xué)研究所的120萬美元資助，NIH的一部分以及國家科學(xué)基金會447,000美元的資助。