В последние годы ученые исследуют левшей как инакомыслящих индивидов. Сегодня исследования ДНК близки к тому, чтобы точно предсказывать «левый» геном в организме человека. Новый метод предложили ученые ВШЭ. Рассказываем о том, как наука развеяла самые фантастические теории происхождения левшей.
Если заглянуть в прошлое, то сразу станет ясно: едва ли не от сотворения мира во многих культурах все правое считалось положительным, а левое – ложным и опасным. Поэтому людей, которые предпочитали использовать левую руку вместо правой, подозревали в нечистых делах.
Шли столетия, но в отношении к левшам мало что менялось. В 1921 году вышла научная работа по психологии, в которой левши прямо назывались слабоумными. Отличных от правшей насильно переучивали делать все «правильной» рукой. Однако к концу XX века фортуна наконец повернулась в сторону обделенных: левшей начали рассматривать как уникальных и гениальных индивидов. Этот вывод ученые сделали на том основании, что многие из знаменитых живописцев, музыкантов, литераторов творили левой рукой.
До того как ученые открыли структуры ДНК, 67 лет назад, в мире царили три основные теории, объясняющие происхождение левшей: общественно-социальная, медицинская и фантастическая. К первой относится миф о том, что в древности правшей и левшей на Земле было в равном количестве. Но правши, как более сильные, обустроили мир так, как им было удобно, неприспособленных к такому мироустройству левшей становилось все меньше, так как выживали только сильнейшие. Медицина также не осталась в стороне от проблемы возникновения левшей. Некоторые из медиков рассматривали леворукость как наследственную болезнь и отклонение, которые необходимо лечить.
И наконец, самая фантастическая теория о левшах гласит, что они произошли от союза пришельцев и земных женщин. Согласно этой версии, пришельцы были похожи на людей внешне, но отличались сверхспособностями, которые и передали своим земным потомкам в виде левосторонности.
Сегодня 15% населения Земли могут жить спокойно и в гармонии со своим полушарием, в котором спираль ДНК изначально скрючена влево. Ученые выявили различные варианты строения этой молекулы, в том числе и те структурные элементы ДНК, которые могут быть не похожи на стандартную двойную спираль — B-ДНК. Отличаются они количеством цепочек — их может быть от двух до четырех, а также плотностью и толщиной, способом соединения азотистых оснований и вектором спирали.
Один из вариантов такого отличия представляет собой Z-ДНК — участки молекулы этой структуры, скручены влево, а не вправо. Известно, что они встречаются в клетках как бактерий, так и человека, а возникают при определенных температурных условиях или особых концентрациях солей. Образование Z-ДНК может быть связано с некоторыми серьезными заболеваниями, такими как рак, диабет и болезнь Альцгеймера. В последнее время появляется все больше исследований, которые демонстрируют роль Z-ДНК на иммунитет человека – способность организма бороться с вирусами и другими патогенами.
Для большего понимания роли участков Z-ДНК необходимо научиться определять их местоположение в геноме. Впервые генетическая карта с положением молекул Z-ДНК была составлена еще в 1997 году. Сегодня есть методы, в которых расположение отличных от B-ДНК участков ученым удается предсказать при помощи компьютерных алгоритмов. Данные достижения позволили использовать еще один мощный инструмент – нейронные сети. В отличие от большей части других методов, нейросети могут учитывать разные факторы, которые избавят ученых от необходимости заранее выбирать наиболее вероятные варианты моделей.
Ученые ВШЭ решили проверить, повысится ли точность работы нейросетей, если предоставить им информацию о том, как генерируется активность генов в клетках. Для этого они использовали 3 нейросети и данные более 30 тысячи экспериментов из лабораторий разных стран. Исследователи сравнили нейросети трех типов: сверточные, рекуррентные, а также их сочетание. Сверточные чаще всего используются для обработки изображений, рекуррентные – для анализа последовательностей. Опробовав все сети на четких задачах, связанных с изучением генома, авторы работы смогли оценить 151 модель построения структуры. Лучшие результаты показала одна из рекуррентных нейросетей — DeepZ, именно ее использовали для того, чтобы предсказать новые участки Z-ДНК.
С помощью DeepZ команде специалистов удалось разметить всю последовательность генома человека, определив вероятность того, что он окажется внутри участка Z-ДНК.
«Результаты работы важны потому, что с помощью нейронных сетей мы не только воспроизвели эксперименты, но и предсказали потенциальные места образования Z-ДНК в геноме. Обилие сигналов Z-ДНК говорит о том, что они активно используются для включения и выключения генов. Это более быстрый сигнал, нежели мотивы в самом геноме. Например, исследования группы ученых из Австралии показали, что ДНК служит сигналом при обучении подавлять страх. Видимо, Z-ДНК эволюционно появилась в тех случаях, когда требуется быстрая реакция на события», – рассказала руководитель исследования, заведующая Научно-учебной лабораторией биоинформатики факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ Мария Попцова.
Ученые планируют инициацию совместных проектов с экспериментальными группами, чтобы проверить предсказания. Новый подход к предсказанию участков Z-ДНК, представленный учеными, поможет в проведении экспериментов по их точному выявлению, что в будущем позволит определить полный спектр функционала скрюченных влево молекул.
