تحلیل یادگیری ماشین از تنظیم ژن‌ها، بُعد تازه‌ای از تنوع زیستی را آشکار می‌کند
تغییرات ژنتیکی بر خطر ابتلا به بیماری‌هایی از جمله بیماری‌های قلبی و سرطان تأثیر می‌گذارند، اما نحوه روشن و خاموش شدن ژن‌ها نیز به همان اندازه برای سلامت اهمیت دارد. افزون بر این، تقریباً همه ژن‌ها در دو نسخه وجود دارند: یکی از مادر و دیگری از پدر. این دو نسخه لزوماً به‌صورت هماهنگ فعال یا غیرفعال نمی‌شوند. اختلال در تنظیم متفاوت این نسخه‌ها می‌تواند مشکلات جدی برای سلامت ایجاد کند.
با این حال، تاکنون شناسایی تفاوت‌های تنظیم ژن میان دو نسخه و تشخیص اینکه کدام‌یک از آن‌ها اهمیت زیستی دارند، دشوار بوده است.
اکنون پژوهشگران ابزاری ساخته‌اند که یادگیری ماشین را با روش‌های پیشرفته توالی‌یابی DNA ترکیب می‌کند تا تفاوت‌های تنظیم ژن میان کروموزوم‌های به‌ارث‌رسیده از مادر و پدر را از یکدیگر تفکیک کند و نواحی حیاتی برای عملکرد ژن‌ها را شناسایی کند.
این ابزار جدید که FIRE نام دارد، می‌تواند به پژوهشگران در شناسایی تغییرات DNA عامل بیماری‌های ارثی کمک کند؛ اقدامی اساسی برای توسعه درمان‌های ژنتیکی. همچنین، این ابزار دیدی بی‌سابقه از بخش‌هایی از ژنوم فراهم می‌کند که پیش‌تر ماهیت و عملکردشان به‌خوبی شناخته نشده بود.
میچل آر. وولگر، استادیار ژنتیک انسانی در مرکز علوم سلامت دانشگاه یوتا و یکی از نویسندگان اصلی پژوهش، می‌گوید: «فقط حدود یک تا دو درصد از ژنوم ما دستور ساخت پروتئین‌ها را در خود دارد. این ابزار به ما امکان می‌دهد ۹۸ درصد دیگر ژنوم را با دقت بسیار بیشتری بررسی کنیم؛ بخشی که شامل کلیدهای تنظیمی روشن و خاموش شدن ژن‌ها نیز می‌شود.» نتایج این پژوهش در مجله Cell منتشر شده است.
گروه پژوهشی همچنین دریافت که تغییرات پایدار در تنظیم ژن‌ها همیشه منشأ ژنتیکی ندارند. دو نسخه کاملاً یکسان از یک بخش DNA ممکن است به شیوه‌های متفاوتی تنظیم شوند و این تفاوت‌ها هنگام تقسیم سلول‌ها به سلول‌های دختر منتقل شوند. عملکرد بیشتر این تغییرات تازه‌شناسایی‌شده هنوز مشخص نیست، اما یافته‌ها از وجود بُعدی تازه در تنوع زیستی حکایت دارند که ژنتیک به‌تنهایی آن را تعیین نمی‌کند.
بررسی ژنوم با ابزار FIRE
پژوهشگران با استفاده از FIRE نشان دادند که تغییرات توالی DNA چگونه بر تنظیم بخش‌های مهم ژنوم برای سلامت تأثیر می‌گذارند.
مطالعات پیشین یک تفاوت ژنتیکی مرتبط با خطر ابتلا به بیماری سلیاک را شناسایی کرده بودند، اما مشخص نبود که آیا این تفاوت واقعاً بر عملکرد ژن‌ها اثر می‌گذارد یا صرفاً تغییری بی‌ضرر است که در کنار عامل اصلی بیماری قرار گرفته است. تشخیص این دو حالت برای توسعه درمان‌های ژنتیکی اهمیت زیادی دارد.
پژوهشگران دریافتند که تغییر ژنتیکی مرتبط با سلیاک در یک کلید تنظیمی ژن، در مجاورت ژنی مربوط به سیستم ایمنی قرار دارد که آن هم با این بیماری مرتبط شناخته شده است. این تغییر DNA جایگاهی را مختل می‌کند که پروتئین‌های تنظیم‌کننده ژن معمولاً به آن متصل می‌شوند. آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان دادند که تغییر دادن تنها یک حرف از توالی DNA در همان جایگاه، برای تغییر میزان بازبودن این کلید تنظیمی کافی است. این یافته نشان می‌دهد که در میان هزاران تفاوت ژنتیکی موجود در ناحیه اطراف، احتمالاً همین تغییر مشخص است که تنظیم ژن را دگرگون می‌کند.
تیم پژوهشی با کمک FIRE همچنین ده‌ها هزار ناحیه از DNA را شناسایی کرد که پیش‌تر کمتر مورد توجه قرار گرفته بودند و احتمالاً در تنظیم ژن‌ها نقش مهمی دارند. احتمال یافتن تغییرات DNA مرتبط با بیماری‌های انسانی در این نواحی، در مقایسه با سایر بخش‌های ژنوم بیشتر است. این موضوع نشان می‌دهد که این نواحی ممکن است عملکردهای مهمی برای سلامت داشته باشند که هنوز کشف نشده‌اند.
محدودیت‌های نقش ژنتیک
FIRE به پژوهشگران امکان داد در مقیاسی بی‌سابقه، بخش‌هایی از DNA را بررسی کنند که نسخه مادری و نسخه پدری آن‌ها به شیوه‌های متفاوتی تنظیم می‌شوند. نتایج برخلاف انتظار بود. در بیشتر موارد، تفاوت تنظیمی میان دو نسخه یک ناحیه از DNA را می‌شد با تفاوت‌های موجود در توالی ژنتیکی آن‌ها توضیح داد. اما در بخش قابل‌توجهی از موارد، دو نسخه با وجود تنظیم متفاوت، در آن جایگاه از نظر ژنتیکی کاملاً یکسان بودند.
وولگر می‌گوید: «به‌نظر من، شگفت‌انگیزترین نتیجه این پژوهش، مشخص شدن محدودیت توان ژنتیک در تعیین نحوه تنظیم ژن‌ها بود. در حدود ۴۰ درصد مواردی که میان نسخه به‌ارث‌رسیده از مادر و نسخه به‌ارث‌رسیده از پدر تفاوت تنظیمی مشاهده می‌کنیم، در آن جایگاه هیچ تفاوت ژنتیکی میان دو نسخه وجود ندارد.»
FIRE چگونه کار می‌کند؟
FIRE کار خود را با استفاده از روشی آغاز می‌کند که نواحی قابل‌دسترسی DNA را از نظر فیزیکی مشخص می‌کند. سپس با بهره‌گیری از توالی‌یابی پیشرفته برای خواندن قطعات بلند مولکول‌های منفرد DNA، این نواحی را بررسی می‌کند. از آنجا که هر قطعه توالی بلندی دارد، پژوهشگران معمولاً می‌توانند بر اساس تفاوت‌های جزئی در توالی مشخص کنند که قطعه از نسخه مادری آمده است یا نسخه پدری. نواحی مشخص‌شده ممکن است حاوی ژن‌های فعال یا بخش‌هایی از DNA باشند که برای تنظیم ژن‌ها اهمیت دارند؛ اما گاهی نیز این روش نواحی کم‌اهمیت‌تری را شناسایی می‌کند که صرفاً در همان لحظه برای روش نشانه‌گذاری قابل‌دسترسی بوده‌اند.
ابزار جدید با افزودن تحلیل مبتنی بر یادگیری ماشین، تک‌تک این نواحی مشخص‌شده را بررسی می‌کند و احتمال اهمیت واقعی آن‌ها را در تنظیم ژن‌ها می‌سنجد. پژوهشگران می‌توانند چنین ارزیابی‌ای را برای جایگاه‌های منفرد به‌صورت دستی نیز انجام دهند، اما FIRE این کار را در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر امکان‌پذیر می‌کند و می‌تواند میلیاردها ناحیه مشخص‌شده را در سراسر ژنوم بررسی کند.
وولگر توضیح می‌دهد: «یادگیری ماشین در اینجا در واقع کاری را تقلید می‌کند که ما خودمان می‌توانیم با مشاهده داده‌ها تشخیص دهیم، اما آن را در مقیاسی انجام می‌دهد که بررسی دستی آن هرگز امکان‌پذیر نیست.»
گامی به سوی درمان بیماری‌های ژنتیکی
وولگر امیدوار است FIRE با مرتبط کردن تغییرات کد ژنتیکی به تفاوت‌های عملکردی در تنظیم ژن‌ها، به شناسایی تغییرات ژنتیکی عامل بیماری‌های انسانی کمک کند. این کار یکی از مراحل اولیه و ضروری برای توسعه درمان‌هایی مبتنی بر ویرایش DNA است که می‌توانند برای درمان یا حتی ریشه‌کن کردن بیماری‌های ارثی به کار روند.
او می‌گوید: «این ابزار شاید به ما نشان دهد چگونه می‌توان کلیدهای تنظیمی DNA را که ژن‌های یک فرد را کنترل می‌کنند، ویرایش کرد تا خطر ابتلا به یک بیماری شایع کاهش یابد یا حتی یک بیماری نادر درمان شود. این گامی کوچک در مسیر تبدیل گونه‌های ژنتیکی شناسایی‌شده به یافته‌هایی است که پزشکان بتوانند بر اساس آن‌ها اقدام درمانی انجام دهند.»
مشخصات مقاله پژوهشی
میچل آر. وولگر و همکاران، «اپی‌جهش‌های پیکری محدودیت‌های جبرگرایی ژنتیکی را در اپی‌ژنوم کروماتینی دیپلوئید انسان آشکار می‌کنند»، مجله Cell، سال ۲۰۲۶. شناسه DOI: 10.1016/j.cell.2026.09.034
اطلاعات مجله: Cell
مفاهیم کلیدی: توالی‌یابی DNA، انسان‌تباران، ژنوم‌ها، زیست‌اطلاعات‌شناسی.
ارائه‌شده از سوی مرکز علوم سلامت دانشگاه یوتا.