Science：人工智能模型追溯了大脑中遗传控制元件的进化

人工智能（AI）使得追踪发育中哺乳动物小脑内遗传控制元件的进化成为可能。由海德堡大学以及比利时弗拉姆斯生物技术研究所和鲁汶大学的生物学家领导的国际研究团队，现已开发出先进的AI模型，能够仅根据这些元件的DNA序列预测其活性。该研究发表于《科学》期刊。

利用这些模型，科学家们能够回溯控制系统的进化变化，并识别出那些在人类谱系中特有的变化。

遗传控制元件是决定基因在何时何地开启的DNA序列。这些元件活性的变化可以驱动进化创新，例如大脑的扩张。在人类进化过程中显著扩大的一个脑区是小脑，它除了在运动和平衡中发挥作用外，还对认知、情感和语言有贡献。

"由于遗传控制元件进化更迭迅速，并且我们对其活性如何编码在DNA序列中的理解有限，追溯它们的进化长期以来一直具有挑战性。"海德堡大学分子生物学中心的研究组长Henrik Kaessmann教授解释说。

为了填补这一知识空白，研究人员利用了人工智能的进步。

"为生命科学中全面而复杂的数据集进行基于AI分析而定制的工具，使我们能够解码这些控制元件的序列语法，从而解码其遗传编码的活性谱。"共同领导这项研究的计算生物学家、弗拉姆斯生物技术研究所和鲁汶大学的Stein Aerts教授指出。

研究人员使用现代测序技术，在人类、倭黑猩猩、猕猴、狨猴、小鼠和负鼠的发育中小脑的单个细胞中绘制了这些元件的活性图。利用这个独特的数据集，团队训练了基于机器学习的模型，以便能够直接从各自的DNA序列预测控制元件的活性。这些AI模型不仅能够模拟所研究六种物种中这些元件的活性，还能准确预测其他哺乳动物中的活性。

"这表明，定义小脑细胞类型中遗传控制元件的序列规则在哺乳动物进化过程中高度保守。"Ioannis Sarropoulos博士解释说，他曾是Kaessmann教授课题组的博士生，并与前Kaessmann实验室博士后Mari Sepp博士和博士生Tetsuya Yamada共同担任第一作者。

基于这些发现，科学家们利用AI模型识别保守序列规则的能力，预测了240种哺乳动物中控制元件的活性。对于每一个人类的元件，研究人员都成功地识别了其对应序列在其他哺乳动物中是否活跃。这使得他们能够高分辨率地重建人类调控程序的进化历史，并识别出那些可能促成了人类小脑关键进化创新的元件。

例如，他们在基因THRB附近发现了一个新的控制元件，该基因编码一种在所有脊椎动物中都能找到的甲状腺激素受体。这个新元件使得该基因也能在小脑干细胞中运作。

Kaessmann教授认为，这可能促成了人类小脑的进化扩张。他强调道，“一个进化上古老的基因可以被重新利用于新的功能，这是进化驱动创新的关键机制。”（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Ioannis Sarropoulos et al, The evolution of gene regulation in mammalian cerebellum development, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adw9154.