Yapay Öğrenme Sayesinde Binlerce DNA Değişimi Bulundu

29 Eylül 2018 Çağlayan Taybaş

DNA vücudun bütün hücrelerinde aynıdır, sadece aktif bölgeler farklıdır. Lisede böyle öğrenmiştik değil mi? Hayır, bu doğru değil. Vücut hücrelerinin birbirinden farklı olması gerekmez, bu yüzden onların DNA’ları birbirinden farklı olmak zorunda değildir. Ancak nöronlardan bahsediyorsak, her biri çok özel nöronlar, iş değişir. Nöronların DNA’ları birbirinden farklıdır. Yeni araştırmalar yayınlandıkça DNA değişimlerini daha iyi anlıyoruz. Oyuna yapay öğrenmenin girmesiyle işimiz daha kolaylaşıyor.

Nöronlardaki DNA çeşitliliği bir genin kopya sayısı farklılığı (copy number variation, CNV) ile ortaya çıkıyor. Prefrontal kortekste de amigdalada da nöronlar bulunuyor ama bunların görevleri farklı. Birbirinden farklı işleri yapan nöronlar da proteinlere farklı miktarlarda ihtiyaç duyuyor. Birine A proteininden 10 tanesi gerekiyorsa diğer nörona 1000 tane lazım olabiliyor. Teknolojinin ve yapay zekanın yükselişi ile beraber gelen yapay öğrenme gelişmekte olan beyindeki nöronların DNA çeşitliliğini daha iyi gösteriyor. Yeni binlerce DNA değişikliği tespit edildi.

Yapay Öğrenme ve Tek Hücre Analizi

Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Enstitüsü’nde çalışan bilim insanları yapay öğrenmeye bağlanmış yeni bir tek hücre analiz tekniği geliştirdiler. Araştırmacılar bu teknik sayesinde nöronları tek tek mercek altına aldılar ve bir milyon bazdan küçük CNV’leri tespit etmeye başladılar. Model organizma olarak fareleri seçtiler. Henüz anne karnında olan farelerin beyinleri inceleniyor, nöronlardaki DNA’ların nasıl değişimler geçirdiğine bakılıyordu. Fare beyninin en kritik gelişimsel dönemlerinde DNA değişimleri de çok fazla oluyordu.

Nöronlardaki kopya sayısı farklılıkları ilk defa keşfedilmedi. Bu konuda bizim de daha önceden yazdığımız makalelerimiz var. Nöronlar arasındaki %41’lik bir genetik farklılık vardır. Bu alanda çalışmalar hala devam ediyor ve bu çalışma da çok önemli bir boşluğu dolduruyor. Araştırmacılar doğumdan önce tek bir nöronda çok fazla sayıda CNV olduğunu gösterdiler. Beyin yeni nöronlar üretip büyürken bir yandan nöral çeşitliliğini de arttırıyor. Nöronlardaki değişimler arttıkça beynin kendini düzenlemesi ve gelişimi de hızlanıyor.

İleri Okuma: Nöronlar Arasındaki Genomik Farklılıklar

Bağışıklık Hücrelerinden Algoritmalar Geliştirildi

Ekip anne karnındaki farelerin nöronlarını tek tek aldılar ve DNA’sını çıkardılar. Dizileme işlemi esnasında nöronları çoğaltmak mümkün olmadığından hücreler ölecekti. Her bir hücre özgün olduğu için ölen bir nöronun yerine aynısını koymak olanaksızdı. Araştırmacılar bu sorunun üstesinden gelmek için DNA’larını sürekli değiştiren bağışıklık hücrelerini kullandılar. Bağışıklık hücrelerinin DNA’larını değiştirme yöntemleriyle yapay öğrenme algoritmaları geliştirildi. Yapay öğrenme algoritmaları artık nöronların DNA’larını nasıl değiştirdiğini tanıyacaktı.

Araştırmanın yürütücüsü Dr. Suzanne Rohrback diğer araştırmacıların DNA’daki küçük değişimleri gösteren sinyalleri göz ardı ettiğini söylüyor. Bu sinyallerin doğru şeye işaret etme olasılığı çok düşüktü, bu yüzden kimse onları takip etmiyordu. Ancak gerçek bir DNA değişikliğinin nasıl göründüğünü anlamak bu yanlışların %90’ından fazlasını engellememizi sağladı. Hem hiçbir şeyi gözden kaçırmıyor hem de yapığımız analizler doğru sonuç veriyordu. Artık gelişmekte olan beyindeki CNV’leri kapsamlı bir şekilde analiz edebiliyorduk.

Genoma Dağılmış CNV’ler Nörogenez Esnasında Artıyor

Bilim insanları tek hücre analiz yöntemini serebral korteks nöronları üzerinde denedi. Korteks nöronları sadece bir defa üretilir. En azından insanlarda böyle. İnsanların korteks nöronları doğumdan ölüme kadar aynı kalır. Beynin bu bölgesine hipotalamus, amigdalada olduğu gibi yeni nöronlar gönderilmez. Araştırmacılar da yeni nöronlar doğar doğmaz onları ayırdı ve inceledi.

Yapılan incelemelerde literatürde olmayan, daha önceden kimsenin bulamadığı binlerce CNV keşfedildi. Bunların yarısından fazlası 1 milyon bazdan kısaydı. DNA’nın silinmesi, çoğaltılmasından daha fazla görüldü. Beyindeki nöral düzenlemeler sadece DNA’nın çoğaltılması ile değil, silinmesi ile de gerçekleşiyordu. DNA değişimleri özel bölgelerde değil genoma rastgele dağılmış bir şekilde oluyordu. Ancak belirli zamanlarda, beynin daha çok nöron ürettiği zamanlarda, CNV’lerin sayısı da artıyordu. Genoma rastgele dağılmış CNV’ler her bir nöronun eşsiz olmasını sağlayarak beyni oluşturuyor. Bu beyin sayesinde konuşuyor, düşünüyor, görüyor ve hissediyoruz.

Gelişimsel sinirbilim beyni anlamada en çok başvurulan bilim dallarından birisidir. Sinir sistemi ile ilgili hastalıkları çözmek, beynin işleyişini anlamak için onun nasıl oluştuğunu çözmemiz gerekiyor. Önce hangi bölümler oluşuyor, yapılar nerede birbirinden ayrılıyor, hangi genetik değişimler gözleniyor? Otizm, şizofreni, Alzheimer hastalığı gibi birçok hastalığın genetik temeli olduğunu biliyoruz. Öyleyse genetik çalışmaların önünü açmalı ve buraya daha fazla dikkat etmeliyiz.

İleri Okuma: Her Nöron 1000’den Fazla Mutasyon Taşıyor Olabilir

Hazırlayan: Çağlayan Taybaş