Google DeepMind voorspelt met AlphaGenome 2 wat DNA-varianten doen in specifieke cellen

Google DeepMind heeft AlphaGenome 2 uitgebracht, een AI-model dat voorspelt hoe een verandering in DNA uitpakt in een specifiek celtype. In een eigen test met menselijke afweercellen herkende het model volgens DeepMind bijna twee keer zoveel van de onderzochte varianten die genactiviteit beïnvloeden als zijn voorganger. Onderzoekers kunnen de voorspellingen gebruiken om te bepalen welke veranderingen ze in het lab verder willen bestuderen.

Een hartspiercel gebruikt andere genen dan een afweercel. Dat verschil bepaalt mede welk effect een kleine verandering in het DNA heeft. Als een variant alleen de activiteit van een gen in een specifiek soort afweercel verandert, kan dat effect moeilijk te zien zijn in een meting waarin meerdere celtypen samenkomen.

Een deel van het zogeheten niet-coderende DNA helpt bepalen waar en wanneer genen actief zijn. Een verandering in zo’n regelgebied kan doorwerken in een gen dat verderop ligt. Dat maakt de plaats van een variant alleen vaak onvoldoende om zijn effect te begrijpen.

De eerste versie van DeepMinds AlphaGenome maakte in één keer voorspellingen voor een vaste verzameling metingen. Voor AlphaGenome 2 kiezen onderzoekers bij een voorspelling een bepaalde celsoort, een weefsel of een toestand waarin een cel zich bevindt. Het model probeert dan te schatten hoe DNA in die omstandigheden de activiteit van genen beïnvloedt.

DeepMind trainde het nieuwe model op gegevens uit menselijk en muizenonderzoek. De trainingsgegevens omvatten volgens de aankondiging van DeepMind meer dan 107 miljoen profielen van afzonderlijke cellen uit 68 weefsels, aangevuld met metingen op weefselniveau. Het model voorspelt daarnaast patronen in DNA-methylatie, een vorm van chemische markering van DNA die samenhangt met genactiviteit.

De belangrijkste vergelijking komt uit een test op gegevens over 28 typen menselijke afweercellen. AlphaGenome 2 pikte in die test 30 procent op van de varianten die als oorzaak van een verandering in genactiviteit waren aangemerkt. De aangepaste versie van het eerdere model kwam volgens DeepMind op 16 procent. De cijfers geven aan welk deel van die referentievarianten de twee modellen in deze test terugvonden.

DeepMind legde de voorspellingen ook naast eerder onderzoek naar chronische darmontstekingen. Dat onderzoek wees uit dat een DNA-variant de activiteit van het gen ETS2 verhoogt in macrofagen in de darm, een type afweercel. AlphaGenome 2 kwam op basis van zijn voorspellingen uit bij datzelfde gen en type afweercel.

Het model kan volgens DeepMind ook voorspellingen doen voor celtoestanden die het tijdens de training niet is tegengekomen. Als onderzoekers al metingen hebben van genactiviteit in een bepaald soort cel, kunnen ze bijvoorbeeld laten inschatten welke andere eigenschappen daar waarschijnlijk bij horen. Op basis daarvan kunnen ze beslissen welke extra meting ze willen uitvoeren.

Het detailniveau vraagt meer rekenkracht, meldt The Verge. In de documentatie van AlphaGenome raadt DeepMind de eerste versie nog aan voor analyses waarin onderzoekers in één keer varianten in meerdere weefsels en celtypen willen beoordelen.

DeepMind werkt met onder meer het Wellcome Sanger Institute aan metingen van meer celtypen en ontwikkelingsstadia. Het lab wil zo ook beter zicht krijgen op cellen die zich in veranderde omstandigheden bevinden.

DeepMind stelt AlphaGenome 2 via zijn programmeerinterface beschikbaar voor niet-commercieel onderzoek. Voor commercieel onderzoek loopt een besloten test. De voorwaarden voor de onderzoeks-API sluiten gebruik bij klinische beslissingen uit.