破解生命密碼：新AI模型學習DNA的隱藏語言

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DNA包含維持生命所需的基礎(chǔ)信息。理解這些信息是如何存儲和組織的，是上個世紀最偉大的科學挑戰(zhàn)之一。

通過GROVER，一個在人體DNA上訓練的新型大型語言模型，研究人員現(xiàn)在可以嘗試解碼隱藏在我們基因組中的復雜信息。

由德累斯頓工業(yè)大學生物技術(shù)中心（BIOTEC）的團隊開發(fā)，GROVER將人體DNA視為文本，通過學習其規(guī)則和上下文來提取關(guān)于DNA序列的功能信息。這個新工具在《自然機器智能》期刊上發(fā)表，具有變革基因組學和加速個性化醫(yī)療的潛力。

自從發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)以來，科學家們一直在努力理解DNA中編碼的信息。70年后，很明顯，DNA中隱藏的信息是多層次的?；蚪M中只有1-2%的部分由編碼蛋白質(zhì)的基因組成。

“DNA的功能遠不止編碼蛋白質(zhì)。一些序列調(diào)節(jié)基因，其他的有結(jié)構(gòu)用途，大多數(shù)序列同時具有多種功能。目前，我們對大多數(shù)DNA的意義還不了解。對于非編碼區(qū)域的理解，我們似乎才剛剛開始。這是AI和大型語言模型可以發(fā)揮作用的地方，”BIOTEC研究組組長Anna Poetsch博士說。

DNA作為一種語言

像GPT這樣的大型語言模型已經(jīng)改變了我們對語言的理解。這些模型只在文本上訓練，發(fā)展出了在許多上下文中使用語言的能力。

“DNA是生命的密碼。為什么不把它當作一種語言來對待呢？”Poetsch博士說。Poetsch團隊在參考人類基因組上訓練了一個大型語言模型。這個名為GROVER（Genome Rules Obtained via Extracted Representations）的工具可以用來從DNA中提取生物學意義。

“GROVER學會了DNA的規(guī)則。用語言來比喻，我們談?wù)摰氖钦Z法、句法和語義。對于DNA，這意味著學習序列的規(guī)則、核苷酸和序列的順序以及序列的意義。就像GPT模型學習人類語言一樣，GROVER基本上學會了如何‘說’DNA，”項目研究人員Melissa Sanabria博士解釋道。

團隊展示了GROVER不僅能準確預測下一個DNA序列，還能用于提取具有生物學意義的上下文信息，例如識別基因啟動子或DNA上的蛋白質(zhì)結(jié)合位點。GROVER還學習了通常被認為是“表觀遺傳”的過程，即發(fā)生在DNA上的調(diào)控過程，而不是編碼在DNA中的過程。

“令人著迷的是，通過僅使用DNA序列訓練GROVER，而沒有任何功能注釋，我們實際上能夠提取出關(guān)于生物功能的信息。對我們來說，這表明功能，包括一些表觀遺傳信息，也是編碼在序列中的，”Sanabria博士說。

DNA字典

“DNA類似于語言。它有四個字母構(gòu)建序列，序列攜帶意義。然而，不同于語言，DNA沒有定義的單詞，”Poetsch博士說。DNA由四個字母（A、T、G和C）和基因組成，但沒有預定義的不同長度的序列組合來構(gòu)建基因或其他有意義的序列。

為了訓練GROVER，團隊首先創(chuàng)建了一個DNA字典。他們使用了壓縮算法的一個技巧?！斑@一步至關(guān)重要，使我們的DNA語言模型與之前的嘗試不同，”Poetsch博士說。

“我們分析了整個基因組，尋找最常出現(xiàn)的字母組合。我們從兩個字母開始，一遍又一遍地遍歷DNA，逐步構(gòu)建出最常見的多字母組合。通過這種方式，在大約600個周期中，我們將DNA分解成‘單詞’，使GROVER在預測下一個序列時表現(xiàn)最佳，”Sanabria博士解釋道。

AI在基因組學中的前景

GROVER有望解鎖遺傳密碼的不同層次。DNA包含關(guān)于我們?yōu)楹纬蔀槿祟?、我們對疾病的易感性以及我們對治療的反應的關(guān)鍵信息。

“我們相信，通過語言模型理解DNA的規(guī)則，將有助于我們揭示隱藏在DNA中的生物學意義的深度，推進基因組學和個性化醫(yī)療的發(fā)展，”Poetsch博士說。