MIT研究員運用人工智能「解開」人類基因組三維結構
DNA雖然太細微肉眼無法直接看到，但它以驚人數量存在於我們每個細胞的細胞核內：每個細胞核中包藏超過六呎半長的DNA。這些DNA能夠被擠壓得如此緊密，全靠它們摺疊成一種富含蛋白質的結構，稱為染色質（chromatin）。染色質的結構被認為會因不同細胞類型，甚至細胞生命週期的不同階段而有所變化。不過，即使是現時最先進的染色質研究技術，也難以在不干擾結構本身的情況下，細緻探究這些變化。
在麻省理工學院（MIT），基因組研究員張斌（Bin Zhang）採用了一種全新方法。他是MIT化學系副教授，也是張實驗室的負責人，利用人工智能技術「解開」複雜的染色質結構。他的研究有望推動我們對人類基因組如何以及為何呈現多種截然不同形態的理解。
早於2009年，張斌與其導師、著名化學家Peter Wolynes利用一種名為Hi-C的技術，研究細胞核內DNA是否會打結或纏繞。MIT的報導指出，當時的假設是像絲帶或聖誕燈這類線狀物體在被擠壓入狹小空間時會變得紊亂糾纏，因此人類DNA可能也會如此。然而，結的存在會阻礙基因組完成細胞分裂及RNA轉錄等重要過程。
Hi-C技術通過交聯、切割並序列化DNA片段，揭示了DNA在細胞核中並未糾纏成結。但這是怎樣做到的呢？張斌和Wolynes構建了一個計算模型，模擬DNA在不同條件下抗結打結的能力，從此展開長期探索基因組與三維空間相互作用的研究。
今年早些時候，張斌及其學生在《Science Advances》期刊發表論文，介紹他們開發出一款名為ChromoGen的新模型，能「高效預測三維單細胞染色質構象，並具備區域及細胞類型特異性」。ChromoGen即「染色質組織生成模型」（CHROMatin Organization GENerative model），利用擴散過程學習先前單細胞實驗中染色質結構特徵的分佈。由於模型的樣本依賴於外部資訊，如DNA序列及特定細胞類型的染色質數據，ChromoGen亦可推測條件性的染色質結構。
張斌表示：「我們的目標是從DNA序列本身預測三維基因組結構。現在達成這點，代表這項技術已與最尖端的實驗技術並駕齊驅，能開啟許多有趣的研究機會。」
目前，張實驗室正利用ChromoGen研究神經元基因組結構與其他腦細胞間的差異，如何反映它們的特定功能。他們亦與其他團隊合作，探討基因組摺疊異常是否與阿爾茨海默症及其他神經疾病的形成相關。值得一提的是，ChromoGen已在GitHub平台公開，供其他研究者使用，促進染色質領域的合作與發展。
評論與啟示
張斌團隊的研究，標誌著基因組三維結構研究的一大突破。傳統染色質結構研究受限於實驗技術的侵入性及解析度，常常難以捕捉細胞內真實情況。藉助人工智能，尤其是生成模型的強大能力，研究者能夠在不破壞細胞的前提下「模擬」和「預測」細胞內極為複雜的染色質三維組織，這不僅提高了研究效率，更擴展了研究視角。
此外，ChromoGen的成功展示了跨學科合作的力量——化學、計算機科學與生物學的結合，推動了基因組學的前沿發展。這種方法不僅能幫助解開基因組空間結構與功能的關聯，更有助於理解疾病機制，尤其是在神經退行性疾病中基因組結構異常的角色。
未來，隨著數據量的增加及模型的不斷優化，ChromoGen或類似技術將可能成為標準工具，推動個性化醫療和基因治療的發展。對香港及全球科研界而言，這種前沿技術的普及與應用，將大大提升我們對生命本質的理解，並有望帶來革命性的醫學突破。
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