В рамках проекта 4D Nucleome учёные создали самую детальную на данный момент трёхмерную карту хромосом внутри ядра человеческой клетки. Хромосомы — это нитевидные структуры, содержащие молекулу ДНК, которая отвечает за хранение и передачу генетической информации. Их трёхмерная конфигурация и расположение играют важную роль в регуляции клеточных процессов, таких как экспрессия генов и репликация ДНК.
Проект 4D Nucleome выявил более 140 000 взаимодействий между петлями ДНК в двух типах клеток: эмбриональных стволовых клетках H1 и фибробластах. Эти данные были объединены в единую платформу для моделирования структуры генома, включающую более 1000 трёхмерных моделей отдельных клеток.
В начале XXI века завершился проект по секвенированию генома человека, который позволил создать полный каталог всех молекул ДНК, образующих хромосомы. Однако эти данные не объясняют механизмы регуляции активности генов, включая их включение и выключение.
В ходе исследования учёные проанализировали два типа клеток (эмбриональные стволовые клетки H1 и фибробласты), чтобы измерить частоту взаимодействий между различными участками ДНК и оценить роль белков в этих процессах. Для анализа использовалась модель глубокого обучения на основе искусственного интеллекта.
Исследование выявило более 141 365 регуляторных взаимодействий в эмбриональных стволовых клетках и 146 140 таких взаимодействий в фибробластах. Кроме того, были созданы одноклеточные модели, демонстрирующие сложные механизмы взаимодействия генов с удалёнными регуляторными элементами. Эти модели позволяют выявлять последовательности ДНК, определяющие структуру генома, а также прогнозировать генетические вариации, влияющие на его трёхмерную организацию.