ابزار جدید یادگیری ماشینی، امضای جهشی را کشف می کند که سرطان مثانه را به سیگار کشیدن مرتبط می کند



محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو برای اولین بار الگویی از جهش های DNA را کشف کردند که سرطان مثانه را به سیگار کشیدن مرتبط می کند. این کشف به لطف ابزار جدید یادگیری ماشینی قدرتمندی که این تیم برای یافتن الگوهای جهش های ناشی از مواد سرطان زا و سایر فرآیندهای تغییر دهنده DNA ایجاد کرد، امکان پذیر شد.

این اثر، در 23 سپتامبر منتشر شد ژنومیک سلولی، می تواند به محققان کمک کند تا عوامل محیطی مانند قرار گرفتن در معرض دود تنباکو و اشعه ماوراء بنفش را در برخی از بیماران مشخص کنند.

هر یک از این قرار گرفتن در معرض محیطی DNA را به روشی منحصر به فرد تغییر می دهد و الگوی خاصی از جهش ها را ایجاد می کند که امضای جهش نامیده می شود. اگر امضایی در DNA سلول‌های سرطانی بیمار یافت شود، سرطان را می‌توان به تماسی که آن امضا را ایجاد کرد، ردیابی کرد. دانستن اینکه کدام نشانه های جهشی وجود دارد می تواند منجر به درمان های سفارشی تر برای سرطان خاص بیمار شود.

در این مطالعه، محققان یک امضای جهشی در DNA سرطان مثانه پیدا کردند که با سیگار کشیدن مرتبط است. این یافته بسیار مهم است زیرا یک امضای جهشی از سیگار کشیدن در سرطان ریه شناسایی شده است، اما هنوز در سرطان مثانه شناسایی نشده است.

شواهد اپیدمیولوژیک قوی وجود دارد که سرطان مثانه را به سیگار کشیدن مرتبط می کند. ما حتی در سایر بافت‌ها مانند دهان، مری و ریه‌ها که مستقیماً در معرض مواد سرطان‌زای تنباکو هستند، علامت جهشی خاصی مشاهده می‌کنیم. این واقعیت که ما این امضا را در مثانه پیدا نکردیم عجیب بود.”


لودمیل الکساندروف، نویسنده ارشد مطالعه، استاد مهندسی زیستی و پزشکی سلولی و مولکولی، کالیفرنیا سن دیگو

الکساندروف و همکارانش اکنون نشان می‌دهند که در سرطان مثانه یک علامت جهشی از سیگار کشیدن وجود دارد و با امضای موجود در سرطان ریه متفاوت است. علاوه بر این، آن‌ها نشان می‌دهند که این علامت در بافت‌های طبیعی مثانه افراد سیگاری که به سرطان مثانه مبتلا نشده‌اند نیز یافت می‌شود. امضا در بافت مثانه افراد غیرسیگاری یافت نشد.

مارکوس دیاز گی، نویسنده اول این مطالعه، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه الکساندروف گفت: آنچه این امضا به ما می گوید این است که جهش های خاصی در DNA شما به دلیل قرار گرفتن در معرض دود تنباکو است. لزوماً به این معنی نیست که شما سرطان دارید. اما هر چه بیشتر سیگار می کشید، جهش های بیشتری در سلول های شما تجمع می یابد و خطر ابتلا به سرطان را بیشتر می کنید.

توسط یادگیری ماشینی نسل بعدی ممکن شده است

محققان امضای تنباکو را با یک ابزار یادگیری ماشینی نسل بعدی که توسط آزمایشگاه الکساندروف توسعه یافته بود، پیدا کردند. این تیم می گوید که این پیشرفته ترین ابزار بیوانفورماتیک خودکار برای استخراج امضاهای جهش به طور مستقیم از مقادیر زیادی داده های ژنتیکی است.

الکساندروف گفت: “این یک رویکرد یادگیری ماشینی قدرتمند برای شناسایی الگوهای جهش و جداسازی آنها از داده های ژنومی است.” “این الگوها را می گیرد و آنها را رمزگشایی می کند تا ما بتوانیم ببینیم که امضاهای جهش چیست و آنها را با معنای آنها مطابقت دهیم.”

او رویکرد یادگیری ماشینی را با انتخاب مکالمات فردی در مهمانی های کوکتل مقایسه کرد.

او گفت: “شما گروه های متعددی از مردم دارید که در اطراف شما صحبت می کنند، و شما فقط علاقه مند به شنیدن صحبت های افراد خاص هستید.” ابزار ما اساساً به شما کمک می‌کند این کار را انجام دهید، اما با داده‌های ژنتیکی سرطان. شما چندین نفر در سراسر جهان در معرض جهش‌زاهای مختلف محیطی قرار دارند و برخی از این قرار گرفتن در معرض ردپایی بر روی ژنوم آنها باقی می‌ماند. چه فرآیندهایی باعث جهش می شوند.

این ابزار برای تجزیه و تحلیل 23827 توالی سرطان انسان مورد استفاده قرار گرفت. چهار علامت جهش یافته از جمله سرطان مثانه مرتبط با سیگار کشیدن یافت شد که توسط هیچ ابزار دیگری شناسایی نشده بود. سه علامت دیگر که در سرطان‌های معده، روده بزرگ و کبد یافت شده‌اند، هنوز هم مستلزم مطالعه بیشتر هستند تا ببینیم چه فرآیندهایی باعث این سرطان شده‌اند.

محققان برای اینکه نشان دهند ابزار آنها چقدر قدرتمند است، آن را در برابر 13 ابزار بیوانفورماتیک موجود مورد آزمایش قرار دادند. ابزارها از نظر توانایی آنها در استخراج امضاهای جهشی از بیش از 80000 نمونه سرطان مصنوعی مورد ارزیابی قرار گرفتند. ابزاری که تیم الکساندروف توسعه داده بود از همه ابزارهای دیگر بهتر بود. 20 تا 50 درصد امضاهای مثبت واقعی بیشتر، با پنج برابر کمتر امضاهای مثبت کاذب را شناسایی کرد. حتی هنگام تجزیه و تحلیل داده های پر سر و صدا عملکرد خوبی داشت، در حالی که سایر ابزارها شکست خوردند.

دیاز گی گفت: در بیوانفورماتیک، این اولین بار است که چنین معیار جامعی در این مقیاس برای استخراج امضای جهشی انجام می شود. “این یک تعهد بزرگ است که ابزارهای زیادی را در مجموعه داده‌های مختلف مقایسه می‌کند.”

الکساندروف خاطرنشان کرد که چنین شاهکاری پرهزینه است. به لطف کمک های مالی از تحقیقات سرطان انگلستان، ما توانستیم این ارزیابی فنی و گسترده را انجام دهیم که معمولاً انجام نمی شود.

ایجاد یک ابزار کاربرپسندتر و شخصی‌تر

هدف نهایی این تیم ایجاد ابزاری مبتنی بر وب است که محققان بیشتری بتوانند از آن استفاده کنند و در نتیجه، مشخصات بیماران بیشتری را نشان دهند.

الکساندروف گفت: در حال حاضر، این ابزار برای اجرای آن به تخصص بیوانفورماتیک نیاز دارد. آنچه ما می‌خواهیم این است که یک نسخه کاربرپسند در وب ایجاد کنیم، جایی که محققان می‌توانند جهش‌های بیمار را کاهش دهند و بلافاصله مجموعه‌ای از امضاهای جهشی و فرآیندهایی که باعث آن‌ها شده‌اند را در اختیار شما قرار دهد.

دیاز گی گفت: “ایده ما برای آینده این است که از این ابزار برای تجزیه و تحلیل بیماران در سطح فردی استفاده کنیم.”

منبع:

دانشگاه کالیفرنیا – سن دیگو

مرجع مجله:

عاشیق الاسلام، اس ام، و همکاران (2022) کشف امضاهای جهشی جدید با استخراج de novo با SigProfilerExtractor. ژنومیک سلولی. doi.org/10.1016/j.xgen.2022.100179.



منبع