Die Welt der Genetik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, vor allem dank der erhöhten Nutzung von Künstlicher Intelligenz (KI). Forschende von der Universität Heidelberg zeigen in einer aktuellen Studie, wie KI dabei hilft, die Evolution genetischer Kontrollelemente, die eine zentrale Rolle bei der Genaktivierung spielen, nachzuvollziehen. Diese Kontrollelemente, insbesondere sogenannte Enhancer, sind DNA-Sequenzen, die entscheidend für die Regulierung der Genaktivität sind und so durch ihre Veränderungen evolutionäre Innovationen ermöglichen.
Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Forschung ist die Rolle des Kleinhirns, das während der menschlichen Evolution eine ausgeprägte Vergrößerung erfahren hat. Dieses Areal des Gehirns ist nicht nur für Bewegung und Gleichgewicht zuständig, sondern auch für Kognition, Emotion und Sprache. Prof. Dr. Henrik Kaessmann betont, dass die Erforschung dieser genetischen Kontrollelemente herausfordernd war, da sie sich rasch ändern und ihre Aktivität in der DNA oft schwer zu erfassen ist.
Fortschritte durch KI
Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben die Forscherstände auf moderne Sequenzierungstechnologien und KI-gestützte Analysemethoden zurückgegriffen, um die Aktivität von genetischen Kontrollelementen in unterschiedlichen Spezies zu kartieren. Mithilfe von KI-Modellen wurde es gelungen, Vorhersagen über die Aktivität dieser Elemente aus DNA-Sequenzen zu treffen und sie innerhalb von Arten wie Mensch, Bonobo, Makake und Maus zu modellieren. Es ist beeindruckend, dass diese Modelle sogar die Aktivität genetischer Kontrollelemente in 240 Säugetierarten vorhersagen konnten.
Ein interessanter Gestaltungsfaktor ist die Entdeckung eines neuen Kontrollelements in der Nähe des Gens THRB, das in Stammzellen des Kleinhirns aktiv ist und möglicherweise zur Vergrößerung dieses Gehirnbereichs beigetragen hat. Der sagenhafte Zusammenhang zwischen Genetik und Evolution wird so in einem neuen Licht offenbar.
Der zweite genetische Code
Die Bedeutung von Enhancern in der Genetik wird auch in anderen Forschungsansätzen deutlich. Ein Team des Instituts für molekulare Pathologie (IMP) in Wien hat kürzlich KI eingesetzt, um den Code von Enhancern zu entschlüsseln. Diese Elemente sind essenziell für die Regulation der Gene und machen einen bedeutenden Teil eines sog. „zweiten genetischen Codes“ aus. Trotz der Tatsache, dass alle Zellen die gleiche DNA besitzen, kommt es zu unterschiedlichen Zellarten mit einzigartiger Identität und Funktion, was vor allem durch spezielle Kontrollelemente wie Enhancer und Silencer bedingt ist.
Diese Forschungsspaltung zeigt, dass die präzise Vorhersage der Aktivität von Enhancern in spezifischen Geweben besonders komplex ist, da sie oft weit von den regulierten Genen entfernt liegen. Experimentelle Identifizierungsmethoden für Enhancer sind erst in den letzten Jahren entwickelt worden, was die aktuellen Ergebnisse besonders bemerkenswert macht. Das Team um Alexander Stark hat ein Deep Learning Modell implementiert, das Muster für Enhancer in genomweiten DNA-Sequenzen entdeckt. Zukünftige Anwendungen könnten in Bereichen wie der synthetischen Biologie oder Gentherapie liegen, wo eine präzise Steuerung der Genaktivität erforderlich ist.
Insgesamt zeigt sich, dass die Kombination von KI und moderner Genetik nicht nur unser Verständnis der biologischen Prozesse verbessert, sondern auch neue Perspektiven für therapeutische Anwendungen eröffnet. Die Studienergebnisse wurden in namhaften Fachzeitschriften wie „Science“ und „Nature“ veröffentlicht und erweitern unser Wissen über die Entstehung und Funktionsweise genetischer Kontrollelemente erheblich.