Den Code der Genverstärker knacken
Mit 900.000 US-Dollar fördert das Human Frontier Science Program (HFSP) ein Projekt, das mit maschinellem Lernen, Hochdurchsatzmethoden und automatisierter Bilderkennung die Funktion von DNA-Sequenzen aufklären soll, die als „Genverstärker“ (Enhancer) wirken.
In dem Projekt von Professor Nicolas Gompel von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) arbeiten Dr. Stephan Preibisch Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) und Professor Remo Rohs von der University of Southern California (USC) in Los Angeles zusammen.
Flügelfleck verrät Enhancer-Funktionen
Sie wollen den Code für die Grundfunktionen von Enhancer-Regionen auf der DNA entschlüsseln und damit sogar künstliche Enhancer „programmieren“.
Enhancer-Regionen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gen abgelesen wird. Wie genau sie das machen, ist aber weitgehend unbekannt. Die Forscher konzentrieren sich auf den Enhancer namens spot, der auf das Gen Yellow wirkt und die Gestalt von Flecken auf den Flügeln von Taufliegen beeinflusst.
Die Genaktivität in den Flügeln von Drosophila-Fliegen mit unterschiedlichen Enhancer-Sequenzen wird systematisch erfasst (A) und bildet die Grundlage für statistische Analysen und Strukturierung der Daten. Das Ergebnis: Aktivitätsmuster bestehen aus "Hauptkomponenten" (B), definiert anhand statistischer Cluster (C).
Der BIMSB-Forscher Stephan Preibisch wird für das Projekt tausende Flügel von genetisch veränderten Drosophila-Fliegen an den Mikroskopen seines Labors automatisiert scannen, analysieren und mit Hilfe von maschinellem Lernen klassifizieren. Die Fliegen stammen aus dem Labor des Evolutionsbiologen Nicolas Gompel, der die Sequenz von spot systematisch verändert und die Insekten aufzieht.
Die gewonnenen Daten fließen in das mathematische Modell von Remo Rohs ein, der mit bioinformatischen Methoden aufdecken kann, wie DNA und Proteine unter Berücksichtigung der dreidimensionalen Struktur der DNA interagieren, um die Aktivität von Genen zu beeinflussen. Gemeinsam entwickeln die Teams künstliche Intelligenz, welche die Unterschiede in der Flügelfärbung mit systematischen Veränderungen des Erbguts zusammenführen und Vorhersagen über die Eigenschaften synthetischer „Genverstärker“ (Enhancer) treffen kann.
Human Frontier Science Program
Das Human Frontier Science Program (HFSP) ist ein internationales Förderungsprogramm für interdisziplinäre Grundlagenforschung. Seine Förderungen sind äußerst begehrt. Nur etwa drei Prozent der jährlich eingereichten Anträge überstehen den rigorosen Auswahlprozess und erhalten eine Förderung – im Jahr 2018 waren es etwa 30 erfolgreiche Projekte aus 771 Bewerbungen.
