mRNA,中文譯名“信使核糖核酸”,是由DNA的一條鏈作為模板轉(zhuǎn)錄而來的、攜帶遺傳信息能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的一類單鏈核糖核酸。mRNA是指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成的直接模板,占細(xì)胞內(nèi)RNA總量的2%~5%,種類繁多,其分子大小差別非常大??茖W(xué)家們正在努力了解DNA-mRNA這一過程,可以控制和利用這一過程,便可以實(shí)現(xiàn)各種疾病的精準(zhǔn)醫(yī)療,比如阿爾茨海默病和癌癥。
該研究文章于昨日發(fā)表在弗吉尼亞大學(xué)官網(wǎng),文章名為“MRNA COULD FIGHT DISEASES SUCH AS ALZHEIMER’S AND CANCER, WITH HELP OF UVA SCIENTIST”
今年,信使核糖核酸(mRNA)為全球開發(fā)COVID-19疫苗做出了巨大的貢獻(xiàn),成了眾所周知的“英雄”。科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室改造了mRNA,以指導(dǎo)人類細(xì)胞如何識別并摧毀作為病毒入口的突起蛋白。這種方法非常精確有效,讓我們得以一窺mRNA的力量。終有一天,mRNA能夠以同樣的功效幫助人體對付癌癥等疾病。
弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia,簡稱UVA)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授祁妍軍可能掌握著實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。
祁妍軍,自2013年起擔(dān)任弗吉尼亞大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授。2008年7月至2013年8月,她在新澤西州普林斯頓NEC Labs American的機(jī)器學(xué)習(xí)部門擔(dān)任高級研究員。她的研究興趣是機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和生物信息學(xué)。她于2000年獲得了北京清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位,2008年5月獲得卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院博士學(xué)位。她曾擔(dān)任多個知名國際會議/期刊的程序委員會委員和審稿人,并共同主持了NIPS“計(jì)算生物學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)”研討會。祁教授曾獲得NSF頒發(fā)的CAREER獎。
DNA是人類的遺傳密碼,擁有指導(dǎo)細(xì)胞執(zhí)行所有生物功能的指令。mRNA將這些指令傳送至細(xì)胞??茖W(xué)家希望控制并利用人體的DNA-mRNA-細(xì)胞的作用途徑(這個過程叫做基因表達(dá))來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。
然而,在這種潛力成為現(xiàn)實(shí)之前,研究人員必須查明我們DNA中的基因通過mRNA發(fā)送了什么指令。
祁妍軍教授處于這一發(fā)現(xiàn)的前沿。她正在使用強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)模型來分析生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù),以揭示基因和mRNA是如何相互作用的。她說,“DNA指令之間的關(guān)系、mRNA、以及它們?nèi)绾我龑?dǎo)細(xì)胞活動,這些問題對于大多數(shù)疾病來說還不是很清楚。我們試圖了解的是DNA-mRNA的步驟,因?yàn)檫@一步驟可以告訴我們遺傳密碼是如何與疾病的表現(xiàn)聯(lián)系在一起的?!?/span>
發(fā)現(xiàn)這些聯(lián)系可能會帶我們走向高靶向治療的未來。正如mRNA可以指示細(xì)胞阻止病毒入侵人體一樣,DNA的mRNA有朝一日也可以用相關(guān)的指令武裝細(xì)胞,在疾病發(fā)生之前就建立起對抗疾病的第一線防御。
祁妍軍教授強(qiáng)調(diào),這項(xiàng)工作還處于發(fā)現(xiàn)階段。她說,“大量有關(guān)遺傳密碼的數(shù)據(jù)正在匯編中,問題是如何將這些數(shù)據(jù)弄明白并用于有益的目標(biāo)。我們正在創(chuàng)建人工智能工具,以尋找目前完全未知的東西。我們現(xiàn)在談的是長期視野,我們相信我們會實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?!?/span>
漫長的終點(diǎn)反映了這項(xiàng)任務(wù)的巨大規(guī)模。人類的遺傳密碼包括60億個有助于基因表達(dá)的數(shù)據(jù)點(diǎn),這些數(shù)據(jù)點(diǎn)又與人體的超過1000億個細(xì)胞相連。祁妍軍教授說,“從基因到mRNA再到執(zhí)行數(shù)百萬種功能的蛋白質(zhì),有許多的生物途徑。將如此大量的細(xì)節(jié)解碼成疾病的特定路徑是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?!?/span>
這就是強(qiáng)大的基于人工智能的計(jì)算機(jī)模型所要發(fā)揮的作用。它們可以分析數(shù)據(jù)的模式,從而更容易找到這些關(guān)系。祁妍軍教授說,“一個數(shù)字模型可以從它以前輸入的數(shù)據(jù)中歸納出推論,并將其應(yīng)用到未知因素上,從而更快地識別出新事物。每一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)都有助于縮小正在進(jìn)行的探索重點(diǎn),因?yàn)橛?jì)算機(jī)正在學(xué)習(xí)以往的數(shù)據(jù),以識別基本規(guī)則?!毙乱?guī)則被發(fā)現(xiàn)時,研究人員可以對它們進(jìn)行推斷,并超越現(xiàn)有的認(rèn)知。
作為UVA醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生基因組學(xué)中心和UVA數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院的兼職教員,祁妍軍教授與醫(yī)學(xué)不同領(lǐng)域的生物學(xué)研究人員一起做模型數(shù)據(jù),以便更好地了解遺傳密碼及其與疾病的關(guān)系。
對科學(xué)的整體分析和自然方法的終身興趣,加上對創(chuàng)造解決復(fù)雜問題的數(shù)學(xué)工具的強(qiáng)烈愿望,讓祁妍軍教授走上了人工智能、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)重疊的道路。她說,“計(jì)算機(jī)科學(xué)是一種技能和工具,因?yàn)槲覀儎?chuàng)建的算法是不可知論的,可以解決任何難題。一個好的工具可以徹底解決問題?!?/span>
自2013年加入UVA工程學(xué)院以來,祁妍軍教授有過的較久的合作是與公共衛(wèi)生基因組學(xué)中心的常駐成員、醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生科學(xué)系的助理教授Clint L. Miller。兩人創(chuàng)造了一個工具,可以用于研究與心血管疾病風(fēng)險相關(guān)的遺傳因素的特定數(shù)據(jù)。初,Miller是因?yàn)樗麑?shí)驗(yàn)室的一名學(xué)生表示有興趣學(xué)習(xí)更多的人工智能方法,才聯(lián)系上祁妍軍教授的。他說,“在第一次會議之后,我們意識到我們的研究項(xiàng)目互補(bǔ)并且興趣相似,所以我們自然而然地開始合作。”
Miller指出,由于DNA測序成本的直線下降,加上更具可擴(kuò)展性的計(jì)算分析工具的興起,基因組醫(yī)學(xué)和基因藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。
他說:“我們現(xiàn)在正處于一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn),可以綜合利用大規(guī)模人類遺傳數(shù)據(jù)集與基于人工智能的預(yù)測算法來開發(fā)下一代精準(zhǔn)藥物。我們在這一領(lǐng)域的工作目標(biāo)是加速基因藥物的發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)化?!?/span>
在生物醫(yī)學(xué)工程、生物化學(xué)和分子遺傳學(xué)領(lǐng)域獲得了二級職稱的Miller認(rèn)為,創(chuàng)新的關(guān)鍵在于跨越各學(xué)科之間的知識鴻溝。通過結(jié)合他在疾病生物學(xué)方面的專業(yè)知識和祁妍軍教授在機(jī)器學(xué)習(xí)方面的知識,他們希望能夠回答該領(lǐng)域緊迫的生物醫(yī)學(xué)問題。在每一次協(xié)作中,祁妍軍教授都對傾聽、學(xué)習(xí)和形成理解的力量與人工智能模型本身的力量進(jìn)行權(quán)衡。
她說,“我一直在努力創(chuàng)造好的工具,要想創(chuàng)造出好工具,你必須了解你的用戶。我試圖去了解與我合作的生物學(xué)家設(shè)法解決的問題——特別是他們使用的數(shù)據(jù)?!?/span>
今年,她因在醫(yī)學(xué)研究方面的貢獻(xiàn)而獲得表彰,當(dāng)時她被美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health)聘為國家數(shù)據(jù)與技術(shù)學(xué)者(National Scholar of Data and Technology)。她將貢獻(xiàn)她的想法和工具,并利用大型基因組學(xué)數(shù)據(jù)集,更好地了解阿爾茨海默病,以尋求有效治療的方法。
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