遺伝性脳疾患の治療タイミングを特定(Timing is everything: Finding treatment windows in genetic brain disease)

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2025-08-19 イェール大学

イェール大学の研究チームは、遺伝性脳疾患に対する治療の最適な介入時期を特定するため、遺伝子発現の時間的変化を解析する新手法「chronODE」を開発した。これはロジスティック方程式と機械学習を組み合わせ、遺伝子がオン・オフに切り替わる速度やタイミングを数理的に予測するモデルである。研究ではマウス脳の発達データを用い、発現パターンを「アクセラレーター」「スイッチャー」「ディセラレーター」に分類。さらにAIを活用し、クロマチン構造の変化から遺伝子の発現タイミングを高精度に推定することに成功した。これにより、病態進行中に特定の遺伝子が最大の影響力を発揮する前に治療を行う「治療可能な時間窓」を見極められる可能性が示された。従来は治療の適切なタイミングを捉えることが難しかったが、本研究はゲノムデータ解析と時間軸の力学的モデルを融合することで、遺伝子治療や分子標的治療の臨床応用を大きく前進させる成果と評価されている。

<関連情報>

chronODEフレームワーク:普通微分方程式と機械学習を用いたマルチオミクス時系列のモデリング The chronODE framework for modelling multi-omic time series with ordinary differential equations and machine learning

Beatrice Borsari,Mor Frank,Eve S. Wattenberg,Ke Xu,Susanna X. Liu,Xuezhu Yu & Mark Gerstein
Nature Communications  Published:19 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-61921-9

遺伝性脳疾患の治療タイミングを特定(Timing is everything: Finding treatment windows in genetic brain disease)

Abstract

Many genome-wide studies capture isolated moments in cell differentiation or organismal development. Conversely, longitudinal studies provide a more direct way to study these kinetic processes. Here, we present an approach for modeling gene-expression and chromatin kinetics from such studies: chronODE, an interpretable framework based on ordinary differential equations. chronODE incorporates two parameters that capture biophysical constraints governing the initial cooperativity and later saturation in gene expression. These parameters group genes into three major kinetic patterns: accelerators, switchers, and decelerators. Applying chronODE to bulk and single-cell time-series data from mouse brain development reveals that most genes (~87%) follow simple logistic kinetics. Among them, genes with rapid acceleration and high saturation values are rare, highlighting biochemical limitations that prevent cells from attaining both simultaneously. Early- and late-emerging cell types display distinct kinetic patterns, with essential genes ramping up faster. Extending chronODE to chromatin, we find that genes regulated by both enhancer and silencer cis-regulatory elements are enriched in brain-specific functions. Finally, we develop a bidirectional recurrent neural network to predict changes in gene expression from corresponding chromatin changes, successfully capturing the cumulative effect of multiple regulatory elements. Overall, our framework allows investigation of the kinetics of gene regulation in diverse biological systems.

医療・健康
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