AIを活用しゲノムの隠れたコードを解析(Where AI meets DNA: Zhejiang University’s NvwaCE cracks genome’s hidden code)

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2025-07-25 浙江大学(ZJU)

浙江大学の郭国濟(Guo Guoji)教授率いる研究チームは、新たな超高感度単一核ATAC-seq技術「UUATAC-seq」を基盤とし、脊椎動物のcCRE(cis-Regulatory Modules: 遺伝子の転写調節領域)の全体像を構築しました。UUATAC-seq(ultra-ultra single-nucleus ATAC-seq)は、超高スループットかつ高感度で、細胞一つ分のクロマチン可及性情報を迅速に取得できる手法です。この膨大かつ高品質なデータを訓練材料として用い、研究チームは深層学習モデル「NvwaCE」(ニューラルベースの調節エレメント予測モデル)を開発しました。このAIモデルはゲノム配列から直接単一細胞レベルの規制配列(cCRE)情報を予測でき、従来の手法では難しかった非コード領域の機能解明に貢献します。これにより、これまで未解明だったゲノム全体に潜む調節エレメントの地図作成が加速し、生命科学分野における遺伝情報の理解深化に新たな突破口を開く成果となりました。この研究成果は2025年7月8日、国際的権威誌『Cell』に発表されました。

<関連情報>

UUATAC-seqと深層学習による脊椎動物調節配列ランドスケープのモデリング Modeling the vertebrate regulatory sequence landscape by UUATAC-seq and deep learning

Xiaoping Han ∙ Hanyu Wu ∙ Xueyi Wang ∙ … ∙ Guoxia Wen ∙ Danmei Jia ∙ Guoji Guo
Cell  Published:July 8, 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.020

Graphical abstract

AIを活用しゲノムの隠れたコードを解析(Where AI meets DNA: Zhejiang University’s NvwaCE cracks genome’s hidden code)

Highlights

  • Efficient construction of chromatin accessibility landscapes by UUATAC-seq
  • Mapping of cCRE landscapes across five vertebrate species using UUATAC-seq
  • NvwaCE deep-learning model predicts cCRE landscapes from genomic sequences
  • NvwaCE accurately predicts the impact of synthetic mutations on cCRE function

Summary

The regulatory sequences of vertebrate genomes remain incompletely understood. To address this, we developed an ultra-throughput, ultra-sensitive single-nucleus assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (UUATAC-seq) protocol that enables the construction of chromatin accessibility landscapes for one species in a 1-day experiment. Using UUATAC-seq, we mapped candidate cis-regulatory elements (cCREs) across five representative vertebrate species. Our analysis revealed that genome size differences across species influence the number but not the size of cCREs. We introduced Nvwa cis-regulatory element (NvwaCE), a mega-task deep-learning model designed to interpret cis-regulatory grammar and predict cCRE landscapes directly from genomic sequences with high precision. NvwaCE demonstrated that regulatory grammar is more conserved than nucleotide sequences and that this grammar organizes cCREs into distinct functional modules. Moreover, NvwaCE accurately predicted the effects of synthetic mutations on lineage-specific cCRE function, aligning with causal quantitative trait loci (QTLs) and genome editing results. Together, our study provides a valuable resource for decoding the vertebrate regulatory language.

細胞遺伝子工学
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