直接從基因?qū)用骖A(yù)測疾病，這一直是近現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的主要方向之一。
然而，全體人類的基因變異體數(shù)量遠(yuǎn)超現(xiàn)有的探測技術(shù)，甚至僅僅是不同個體的蛋白質(zhì)區(qū)編碼也會展現(xiàn)出巨大的差異性。
因此，超過 98% 的基因變異給人體帶來的影響依舊是未知且無法預(yù)測的。
但最近，來自哈佛醫(yī)學(xué)院和牛津大學(xué)的科學(xué)家合作開發(fā)了一種 AI 模型，成功預(yù)測了 3219 個疾病基因中超過 3600 萬個變體的致病性，并將超過 25 萬個未知變體進(jìn)行了歸類。
這項(xiàng)研究現(xiàn)已登上 Nature。
“從進(jìn)化中預(yù)測致病性”
其實(shí)，現(xiàn)在臨床上已有用于預(yù)測基因變異影響的模型。
但這些模型往往是在經(jīng)過標(biāo)注的臨床數(shù)據(jù)集上進(jìn)行有監(jiān)督學(xué)習(xí)，一旦進(jìn)入現(xiàn)實(shí)場景，標(biāo)簽偏差、標(biāo)簽稀疏以及噪音就會造成其準(zhǔn)確率的下降，并不能作為基因變異體分類的可靠依據(jù)。
而這次的研究團(tuán)隊(duì)提出了一個叫做 EVE（Evolutionary model of Variant Effect）的模型。
這是一個僅根據(jù)進(jìn)化序列訓(xùn)練的無監(jiān)督生成模型。
模型預(yù)測變異基因的致病性主要分為兩步：
第一步，使用變型自動編碼器 VAE 來學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的氨基酸序列分布。
學(xué)習(xí)了多個領(lǐng)域的復(fù)雜高維分布之后，模型就捕捉到了進(jìn)化過程中的自然序列約束，包括各種位置之間的復(fù)雜依賴關(guān)系。
再從得到的近似后驗(yàn)分布（Approximate Posterior Distribution）中取樣，評估每個單一氨基酸變體相對于野生型的相對可能性。
這種相對可能性被稱為“進(jìn)化指數(shù)”，與臨床標(biāo)簽進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，區(qū)分致病性和良性標(biāo)簽的數(shù)值在不同的蛋白質(zhì)中是一致的，這說明無監(jiān)督的方法能夠有效推斷致病性。
第二步，在所有單一氨基酸變體的進(jìn)化指數(shù)分布上擬合了一個雙組分（two-component）的全局-局部高斯混合模型。
這一步的輸出是在區(qū)間 [0，1] 內(nèi)定義的連續(xù)致病性值，0 代表良性，1 代表致病性。
然后將 EVE 模型運(yùn)用于 ClinVar 數(shù)據(jù)庫中的 3219 個人類基因上，得到的結(jié)果圖中的平均曲線面積（AUC）為 0.91，說明 EVE 模型對絕大多數(shù)的基因變異都能做到具有臨床意義的預(yù)測：
優(yōu)于已知模型，與實(shí)驗(yàn)預(yù)測效果一致
研究團(tuán)隊(duì)也將 EVE 模型與已知的模型進(jìn)行了對比，可以看到，在預(yù)先確定已知的已標(biāo)注臨床數(shù)據(jù)的預(yù)測上，其效果優(yōu)于同類計(jì)算模型：
那么這樣一個 AI 計(jì)算模型與用于預(yù)測致病性的經(jīng)典方法 —— 深度突變掃描實(shí)驗(yàn)（Deep Mutational Scan Experiment）相比效果又如何呢？
對比實(shí)驗(yàn)后可以看到，EVE 模型在臨床預(yù)測方面的總體表現(xiàn)與經(jīng)典方法效果基本一致：
而當(dāng)從 ClinVar 數(shù)據(jù)庫中選擇一組數(shù)量規(guī)模更大，但高質(zhì)量標(biāo)注較小的數(shù)據(jù)時，EVE 模型的表現(xiàn)甚至更好：
哈佛 & 牛津合作出品
這篇論文有三位共同一作，其中 Jonathan Frazer 和 Mafalda Dias 都來自哈佛大學(xué)的系統(tǒng)生物學(xué)，他們同時也是 Marks Group 實(shí)驗(yàn)室中的一員。
而 Pascal Notin 則是來自牛津大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的博士生，主要研究領(lǐng)域包括貝葉斯深度學(xué)習(xí)、生成模型、因果推理和計(jì)算生物學(xué)的交叉領(lǐng)域。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04043-8
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