AI设计出特定类型细胞“基因开关”

《细胞》杂志5月8日发表了一项新研究：西班牙基因组调控中心团队利用生成式人工智能（AI），设计出一种合成DNA序列，可作为“基因开关”，控制哺乳动物特定细胞中的基因表达。这一进展堪称合成生物学领域的一个里程碑。

这项技术可根据特定需求，从零开始“创作”自然界中不存在的DNA片段。团队训练AI模型预测合适的DNA字母组合（A、T、C、G），以实现特定细胞类型中的基因表达模式。例如，可以让干细胞开启某个基因，从而发育成红细胞而不是血小板。随后，研究人员将这些约250个字母长度的DNA片段合成出来，并通过病毒载体导入细胞中。

为验证其有效性，团队让AI设计激活荧光蛋白基因的DNA序列，并将其插入小鼠血细胞基因组的随机位置。结果显示，基因表达完全符合预期，证明AI设计的合成增强子功能正常。

在生物医学领域，许多疾病源于特定细胞中基因表达异常，而传统方法只能依赖自然界已有的DNA调控元件，如增强子进行干预。但增强子种类有限，难以满足复杂的治疗需求。

借助AI，科学家可以创造出“基因开关”。这些人工增强子能被精确设计成只在特定细胞中起作用的“开/关”模式，从而大幅减少对健康细胞的副作用。这种精准调控对于开发新一代基因疗法至关重要。

不过，要训练这样的AI模型并不容易，与增强子相关的高质量数据一直匮乏。为此，团队在过去5年中开展了超过64000次实验，构建了迄今为止最大的血细胞合成增强子数据库。他们测试了38种不同转录因子的结合位点排列和强度，并追踪每种增强子在血细胞发育7个阶段中的活性变化。

研究还发现了一些有趣的现象：虽然大多数增强子像“音量旋钮”一样调节基因活性，但也有一些组合表现出“负协同效应”——即原本单独促进基因表达的两个因子，共同出现时反而抑制了基因活动。这种非线性关系为理解基因调控提供了新视角。

这一成果为未来个性化医疗和精准基因治疗打开了新的大门。