Используя нейронные сети, исследователи из Копенгагенского университета разработали новый метод поиска в геноме человека полезных мутаций неандертальцев и других архаичных людей. Эти люди, как известно, скрещивались с современными людьми, но общая судьба унаследованного от них генетического материала все еще в значительной степени неизвестна. Среди прочего, исследователи обнаружили ранее не зарегистрированные мутации, вовлеченные в основные пути метаболизма, связанные с кровью заболевания и иммунитет.

Тысячи лет назад вымерли архаичные люди, такие как неандертальцы и денисовцы. Но до этого они скрестились с предками современных людей, которые до сих пор несут генетические мутации от вымерших видов.

Считается, что более 40 процентов генома неандертальцев сохранилось у различных современных людей неафриканского происхождения, но распространилось так, что любой отдельный геном состоит только из двух процентов неандертальского материала. Некоторые человеческие популяции также несут генетический материал от денисовцев — загадочной группы архаичных людей, которые, возможно, жили в Восточной Евразии и Океании тысячи лет назад.

Введение полезного генетического материала в наш генофонд, процесс, известный как адаптивная интрогрессия, часто происходил потому, что это было выгодно для людей после того, как они распространились по земному шару. Чтобы назвать несколько примеров, ученые считают, что некоторые мутации повлияли на развитие кожи и обмен веществ. Но многие мутации еще не обнаружены.

Теперь исследователи из института GLOBE при Копенгагенском университете разработали новый метод с использованием методов глубокого обучения для поиска в геноме человека неоткрытых мутаций.

«Мы разработали метод глубокого обучения под названием« genomatnn », который совместно моделирует интрогрессию, то есть передачу генетической информации между видами, и естественный отбор. Модель была разработана для того, чтобы идентифицировать области в геноме человека, где эта интрогрессия могла произойти, «говорит доцент Фернандо Расимо, институт GLOBE, автор-корреспондент нового исследования.

«Наш метод очень точен и превосходит предыдущие подходы по мощности. Мы применили его к различным наборам геномных данных человека и нашли несколько вариантов полезных генов-кандидатов, которые были введены в генофонд человека», — говорит он.

Новый метод основан на так называемой сверточной нейронной сети (CNN), которая представляет собой тип фреймворка глубокого обучения, обычно используемый для распознавания изображений и видео.

Используя сотни тысяч симуляций, исследователи из Копенгагенского университета обучили CNN определять закономерности в изображениях генома, которые могут возникнуть в результате адаптивной интрогрессии с архаичными людьми.

Помимо подтверждения уже предполагаемых генетических мутаций в результате адаптивной интрогрессии, исследователи также обнаружили возможные мутации, которые, как известно, не были интрогрессированы.

«Мы обнаружили ранее идентифицированных кандидатов на адаптивную интрогрессию у современных людей, а также нескольких кандидатов, которые ранее не были описаны», — говорит постдок Грэм Гауэр, первый автор нового исследования.

Некоторые из ранее не описанных мутаций участвуют в основных путях метаболизма и иммунитета человека.

«В европейских геномах мы обнаружили двух сильных кандидатов на адаптивную интрогрессию от неандертальцев в областях генома, которые влияют на фенотипы, связанные с кровью, включая количество клеток крови. В меланезийских геномах мы обнаружили варианты-кандидаты, интрогрессированные от денисовцев, которые потенциально влияли на широкий спектр черты характера, такие как заболевания, связанные с кровью, подавление опухоли, развитие кожи, метаболизм и различные неврологические заболевания. Неясно, как эти черты затрагиваются у современных носителей архаичных вариантов, например, нейтрально, положительно или отрицательно, хотя исторически Предполагается, что интрогрессированный генетический материал оказал положительное влияние на тех, кто их носит », — объясняет он.

Следующим этапом для исследовательской группы является адаптация метода к более сложным демографическим сценариям и сценариям отбора, чтобы понять общую судьбу генетического материала неандертальцев. Грэм Гауэр отмечает, что команда стремится отслеживать функцию вариантов-кандидатов в геноме, которые они обнаружили в этом исследовании.

Заглядывая вперед, остается проблемой поиск в геноме человека генетического материала из еще не опробованных популяций, так называемых популяций призраков. Тем не менее, исследователи надеются, что они смогут дополнительно обучить нейронную сеть распознавать мутации в этих полных популяциях.

«Дальнейшая работа также может включать разработку CNN, способной обнаруживать адаптивную интрогрессию от популяции-призрака в случаях, когда геномные данные из источника недоступны», — говорит Грэм Гауэр.