根据《自然》杂志23日发布的论文，由美国杰克逊实验室、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所以及耶鲁大学的研究团队合作，利用人工智能（AI）技术成功设计出数千个新型DNA开关。这些新设计的元件能够精确控制基因在不同类型的细胞中的表达，为人类健康和医学研究开辟了前所未有的新途径。

图形表示顺式调控元件如何发挥作用打开或关闭基因，有望带来更加精确和个性化的基因疗法。图片来源：麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所

尽管近年来基因编辑技术和其他基因治疗手段已经使科学家能够在活细胞中进行基因修改，但要在不影响整个生物体的情况下，仅对特定类型的细胞进行基因干预，仍然面临挑战。这主要是由于对控制基因开启和关闭的DNA开关——顺式调节元件（CRE）的理解尚不充分。此次创新的核心在于，新方法能够针对特定细胞类型来增强或减弱基因表达，而不会对身体其他部分产生影响。

研究团队运用了深度学习算法，并基于数十万个人类基因组中的DNA序列训练了一个模型。通过这个模型，他们能够在实验室环境中测量三种细胞（血液、肝脏和大脑）中CRE的活性。这个AI模型能够预测任意序列的活性，从而揭示了DNA中新的模式以及CRE序列的语法是如何影响RNA生成量的。

基于上述发现，研究团队构建了一个名为CODA（计算优化DNA活性）的平台。通过将实验数据与计算建模相结合的迭代过程，该平台不断优化其预测CRE（调控元件）生物学效应的能力，并成功设计出自然界中前所未有的CRE。经过测试，新设计的合成CRE在细胞类型特异性方面表现出色，超越了天然存在的CRE。这些合成CRE不仅包含了促进目标细胞类型中基因表达的序列，还整合了抑制非目标细胞类型中基因表达的元素。目前，研究团队已在斑马鱼和小鼠模型中验证了几种合成CRE序列的有效性。这一突破性的进展预示着未来可能实现更加精确和个性化的基因疗法，为预防和治疗疾病开辟了新的途径。

在生物体内，并非所有基因都会在适当的细胞和适当的时间点发挥作用。CRE的作用在于确保适当的基因在正确的时间和地点被激活。例如，避免皮肤细胞错误地使用大脑所需的基因，或防止成人体内激活仅在早期发育阶段需要的基因。此次研究团队不仅合成了全新的CRE，还展示了如何使用这些CRE选择性地激活大脑、肝脏或血液细胞中的基因，同时确保这些基因在其他类型的细胞中保持沉默。这一成果在生物医学和技术上具有双重重要意义。