研究人员开发了一种人工智能模型TIGER，可以预测靶向rna的CRISPR工具的靶向和脱靶活性。发表在《自然生物技术》杂志上的一项研究详细介绍了这项创新，它可以精确地设计引导rna，调节基因ex并准备推动CRISPR-ba的进步sed疗法。
根据今天(7月3日)发表在《自然生物技术》杂志上的一项新研究，人工智能可以预测靶向RNA而非DNA的CRISPR工具的靶向和脱靶活性。
这项由纽约大学、哥伦比
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亚工程学院和纽约基因组中心的研究人员进行的研究，将深度学习模型与CRISPR屏幕结合起来，以不同的方式控制人类基因的表达——比如轻按电灯开关完全关闭它们，或者使用调光旋钮部分降低它们的活性。这些精确的基因控制可以用来开发新的基于crispr的疗法。CRISPR是一种基因编辑技术，在生物医学和其他领域有许多用途，从治疗镰状细胞性贫血到改造更美味的芥菜。它通常通过一种叫做Cas9的酶靶向DNA起作用。近年来，科学家们发现了另一种类型的CRISPR，它使用一种名为Cas13的酶来靶向RNA。
RNA靶向crispr可用于广泛的应用，包括RNA编辑，敲低RNA以阻断特定基因的表达，以及高通量筛选以确定有希望的候选药物。纽约大学和纽约基因组中心的研究人员创建了一个使用Cas13的RNA靶向CRISPR筛选平台，以更好地了解RNA调控并识别非编码RNA的功能。由于RNA是包括SARS-CoV-2和流感在内的病毒的主要遗传物质，因此靶向RNA的crispr也有望开发预防或治疗病毒感染的新 *** 。同样，在人类细胞中，当一个基因被表达时，之一步就是从基因组中的DNA中产生RNA。
该研究的一个关键目标是更大化靶向RNA的crispr在预期靶RNA上的活性，并最小化可能对细胞产生有害副作用的其他RNA的活性。脱靶活性包括向导RNA和靶RNA不匹配以及插入和删除突变。早期对rna靶向crispr的研究只关注靶标活性和错配;预测脱靶活性，特别是插入和删除突变，还没有得到很好的研究。在人类群体中，大约五分之一的突变是插入或缺失，因此这些是CRISPR设计中需要考虑的重要的潜在脱靶类型。
纽约大学生物学副教授、纽约大学格罗斯曼医学院神经科学和生理学副教授、纽约基因组中心核心教员、该研究的共同资深作者Neville Sanjana说:“与Cas9等dna靶向crispr类似，我们预计Cas13等rna靶向crispr将在未来几年对分子生物学和生物医学应用产生巨大影响。”“准确的指南预测和脱靶识别将对这一新兴领域和治疗 *** 具有巨大价值。”
在他们发表在《自然生物技术》上的研究中，Sanjana和他的同事们在人类细胞中进行了一系列针对rna的CRISPR筛选。他们测量了20万个靶向人类细胞中必需基因的引导rna的活性，包括“完美匹配”的引导rna和脱靶错配、插入和缺失。
Sanjana的实验室与机器学习专家David Knowles的实验室合作，设计了一个深度学习模型，他们将其命名为TIGER(通过引导RNA设计靶向抑制基因表达)，该模型是根据CRISPR屏幕上的数据进行训练的。通过比较深度学习模型和人类细胞实验室测试产生的预测，TIGER能够预测靶标和脱靶活性，优于先前为Cas13靶标指导设计开发的模型，并提供了预测rna靶向crispr脱靶活性的之一个工具。
“机器学习和深度学习在基因组学中显示出它们的优势，因为它们可以利用现代高通量实验产生的庞大数据集。重要的是，我们还能够使用“可解释的机器学习”来理解为什么模型预测特定指南会很好地工作，“诺尔斯说，哥伦比亚工程公司计算机科学和系统生物学助理教授，纽约基因组中心的核心教员，该研究的共同资深作者。
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“我们早期的研究展示了如何设计能够敲低特定RNA的Cas13向导。“有了TIGER，我们现在可以设计Cas13指南，在靶上敲除和避免脱靶活动之间取得平衡，”该研究的共同之一作者、纽约基因组中心的高级科学家汉斯-赫尔曼(哈姆)韦塞尔斯说，他以前是桑贾纳实验室的博士后。研究人员还证明，TIGER的脱靶预测可以用来精确地调节基因剂量——特定基因的表达量——通过在有错配向导的细胞中部分抑制基因表达。这可能对基因拷贝过多的疾病有用，如唐氏综合症、某些形式的精神分裂症、腓骨肌萎缩症(一种遗传性神经紊乱)，或基因异常表达可能导致肿瘤不受控制生长的癌症。
“我们的深度学习模型不仅可以告诉我们如何设计一个向导RNA来完全破坏转录本，还可以‘调整’它——例如，让它只产生特定基因转录本的70%，”哥伦比亚工程和纽约基因组中心的博士生安德鲁·斯特恩说，他是该研究的之一作者之一。
通过将人工智能与rna靶向CRISPR筛选相结合，研究人员设想TIGER的预测将有助于避免不希望的脱靶CRISPR活动，并进一步促进新一代rna靶向疗法的发展。
“随着我们从CRISPR屏幕上收集更大的数据集，应用复杂机器学习模型的机会正在迅速增加。我们很幸运，大卫的实验室就在我们隔壁，以促进这一美妙的跨学科合作。而且，有了TIGER，我们可以预测脱靶，并精确地调节基因剂量，这使得靶向rna的crispr在生物医学上有了许多令人兴奋的新应用。”