Nature：AlphaGenome——多模態(tài)AI模型破譯基因組“暗物質(zhì)”

導(dǎo)語

從 DNA 序列預(yù)測(cè)功能基因組學(xué)數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型，是解析遺傳（基因）調(diào)控密碼的強(qiáng)大工具。現(xiàn)有方法需要在輸入序列長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡，從而限制了其適用模態(tài)范圍和預(yù)測(cè)性能。這篇2026年1月發(fā)表于Nature的文章提出AlphaGenome—— 一種統(tǒng)一的 DNA 序列模型，它以 1?Mb 的 DNA 序列為輸入，可在單堿基分辨率水平預(yù)測(cè)數(shù)千條功能基因組學(xué)軌跡，覆蓋多種模態(tài)。這些模態(tài)包括：基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄起始、染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、染色質(zhì)相互作用圖譜、剪接位點(diǎn)使用情況及剪接接點(diǎn)的坐標(biāo)與強(qiáng)度。基于人類和小鼠基因組訓(xùn)練的 AlphaGenome，在 26 項(xiàng)變異效應(yīng)預(yù)測(cè)評(píng)估中，有 25 項(xiàng)達(dá)到或超過目前最先進(jìn)的外部模型。該模型能夠同時(shí)精準(zhǔn)評(píng)估所有模態(tài)下的變異效應(yīng)，可準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn) TAL1 癌基因附近臨床相關(guān)變異的作用機(jī)制。為方便更廣泛的應(yīng)用，我們提供了可從序列出發(fā)生成基因組軌跡及預(yù)測(cè)變異效應(yīng)的工具套件。

關(guān)鍵詞：AlphaGenome，深度學(xué)習(xí)，功能基因組學(xué)，遺傳調(diào)控密碼（Genetic Regulatory Code），單堿基分辨率（Single-Base-Pair Resolution），多模態(tài)，變異效應(yīng)預(yù)測(cè)（Variant Effect Prediction），基因表達(dá)

魏云初丨作者

趙思怡丨審校

論文題目：Advancing regulatory variant effect prediction with AlphaGenome 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10014-0 發(fā)表時(shí)間：2026年1月28日 論文來源：Nature

基因調(diào)控的“圣杯”：從序列到功能的預(yù)測(cè)

自人類基因組計(jì)劃完成以來，一個(gè)核心的生物學(xué)挑戰(zhàn)始終存在：我們擁有了完整的DNA序列“天書”。超過98%的人類基因組是非編碼區(qū)，它們?nèi)缤蚴澜绲摹鞍滴镔|(zhì)”，復(fù)雜而難以解讀。近期，Google DeepMind團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表重磅研究，推出全新AI模型——AlphaGenome。它不僅能夠處理長(zhǎng)達(dá)1 Mb的DNA序列，還能以單堿基分辨率，同時(shí)預(yù)測(cè)基因表達(dá)、剪接、染色質(zhì)狀態(tài)等數(shù)千種功能圖譜，在絕大多數(shù)變異效應(yīng)預(yù)測(cè)任務(wù)上達(dá)到目前最優(yōu)水平。這項(xiàng)技術(shù)或?qū)楹币姴≡\斷、藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和合成生物學(xué)帶來新的可能。 近年來，深度學(xué)習(xí)為破解這一難題帶來曙光。"序列到功能"模型能夠從DNA序列直接預(yù)測(cè)染色質(zhì)開放性、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、基因表達(dá)量等多種分子表型。通過比較參考序列和變異序列的預(yù)測(cè)結(jié)果，這些模型就能推斷變異的分子效應(yīng)。 然而，現(xiàn)有模型普遍面臨兩個(gè)難以調(diào)和的矛盾。首先是"長(zhǎng)度"與"精度"的矛盾。像SpliceAI這類模型能以單堿基分辨率進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，但其關(guān)注的上下文窗口通常只有10 kb左右，容易遺漏遠(yuǎn)端的調(diào)控元件。而Enformer、Borzoi等模型雖然能處理長(zhǎng)達(dá)200-500 kb的序列，捕捉更廣闊的調(diào)控語境，輸出分辨率卻降低到32 bp或128 bp的區(qū)間，模糊了剪接位點(diǎn)等關(guān)鍵細(xì)節(jié)。其次是"廣度"與"深度"的矛盾。一些模型在各自擅長(zhǎng)的單一領(lǐng)域表現(xiàn)出色，但無法提供變異影響的全面視圖；而現(xiàn)有的多模態(tài)模型雖然在通用性上更勝一籌，但在某些具體任務(wù)上又可能落后于專用模型。

AlphaGenome：統(tǒng)一框架下的“全能選手”

正是在這樣的背景下，Google DeepMind團(tuán)隊(duì)推出了AlphaGenome，其核心設(shè)計(jì)理念可以概括為長(zhǎng)序列、高精度和多模態(tài)三個(gè)關(guān)鍵詞，通過一個(gè)統(tǒng)一的框架來解決現(xiàn)有模型所面臨的矛盾。

我們可以把AlphaGenome理解成一個(gè)非常聰明的基因“偵探”，它解讀DNA長(zhǎng)文的過程主要分三步：

第一步，輸入——閱讀長(zhǎng)篇“基因小說”。DNA序列就像一本很長(zhǎng)的書。過去的技術(shù)只能一次讀一個(gè)短句，很容易漏掉前后文的聯(lián)系。但AlphaGenome能一口氣讀完長(zhǎng)達(dá)1百萬個(gè)字母的篇章。這個(gè)長(zhǎng)度，足以覆蓋絕大部分基因調(diào)控的“遠(yuǎn)距離對(duì)話”，為理解基因之間如何互相影響提供了充足的上下文。

第二步，模型結(jié)構(gòu)——分工明確的“閱讀小組”。為了高效處理這本“長(zhǎng)篇小說”，模型內(nèi)部有一個(gè)巧妙的團(tuán)隊(duì)分工：

• 卷積層：像一位專注的“詞匯學(xué)家”，負(fù)責(zé)掃描文本，找出關(guān)鍵的“詞語”和“短語”，也就是像轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)這樣的局部模式。

• Transformer模塊：像一位宏觀的“劇作家”，負(fù)責(zé)理清前后章節(jié)的邏輯聯(lián)系，理解遠(yuǎn)距離的“劇情”如何呼應(yīng)。它擅長(zhǎng)捕捉增強(qiáng)子如何遠(yuǎn)程激活啟動(dòng)子這類長(zhǎng)程相互作用。

得益于底層的U型架構(gòu)和并行計(jì)算策略，它在處理海量信息時(shí)，依然能精準(zhǔn)到每一個(gè)“字母”（單堿基分辨率）。

第三步，輸出——預(yù)測(cè)11種不同的“閱讀筆記”。經(jīng)過訓(xùn)練，這個(gè)“閱讀小組”已經(jīng)學(xué)習(xí)了人類和小鼠的數(shù)千個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，它在讀完一段DNA序列后，能同時(shí)預(yù)測(cè)出11種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相當(dāng)于一次性生成5,930種人類或1,128種小鼠的基因組圖譜。這些圖譜包括：基因的表達(dá)水平、RNA的剪接方式、染色質(zhì)的開放狀態(tài)，甚至是DNA在三維空間里的折疊方式。

簡(jiǎn)單來說，AlphaGenome就是一個(gè)能從海量DNA序列中，一次性解讀出多層次生物信息的強(qiáng)大工具。

整個(gè)訓(xùn)練過程分為兩個(gè)階段：先使用4折交叉驗(yàn)證訓(xùn)練出具有強(qiáng)泛化能力的“教師”模型，再通過“知識(shí)蒸餾”將這些教師模型的“知識(shí)”濃縮到一個(gè)高效的“學(xué)生”模型中。這個(gè)經(jīng)過蒸餾的學(xué)生模型不僅性能更強(qiáng)、更魯棒，還能在一次計(jì)算中完成對(duì)所有模態(tài)和細(xì)胞類型的預(yù)測(cè)，極大地便利了大規(guī)模變異效應(yīng)分析。

圖 1 AlphaGenome 整體架構(gòu)示意，圖中展示了 DeepMind 新一代基因組預(yù)測(cè)模型的核心設(shè)計(jì)：以1 Mb DNA 序列為輸入，通過跨設(shè)備序列并行化與類 U-Net 編解碼架構(gòu)（編碼器 + Transformer 塔 + 解碼器）高效捕捉長(zhǎng)距離調(diào)控信息；輸出覆蓋11 類功能基因組學(xué)模態(tài)，并根據(jù)任務(wù)特性提供從“單堿基（1 bp）到多尺度（128/2048 bp）”的精準(zhǔn)分辨率。該架構(gòu)首次實(shí)現(xiàn) “長(zhǎng)序列輸入 — 精細(xì)分辨率輸出 — 多模態(tài)統(tǒng)一預(yù)測(cè)” 的協(xié)同，是功能基因組學(xué)領(lǐng)域的里程碑式突破。

性能驗(yàn)證：全面超越，細(xì)節(jié)驚人

一個(gè)模型的設(shè)計(jì)再精巧，最終也要用性能說話。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了極其嚴(yán)苛的基準(zhǔn)測(cè)試，將AlphaGenome與現(xiàn)有的頂尖模型進(jìn)行了正面交鋒。

在基因組信號(hào)預(yù)測(cè)的多項(xiàng)測(cè)試中，AlphaGenome表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)：在24項(xiàng)評(píng)估任務(wù)中，它在22項(xiàng)上取得了最好成績(jī)。無論是預(yù)測(cè)基因表達(dá)，還是模擬染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，抑或識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和染色質(zhì)開放區(qū)域，它都優(yōu)于目前主流的模型。 AlphaGenome實(shí)現(xiàn)變異效應(yīng)預(yù)測(cè)的范式突破，在25/26項(xiàng)任務(wù)中問鼎SOTA。 該模型的核心優(yōu)勢(shì)在于對(duì)基因調(diào)控“語法”的深度解碼能力。在剪接預(yù)測(cè)領(lǐng)域，它不再局限于定位剪接位點(diǎn)，而是能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)變異對(duì)剪接過程的影響，成功捕捉從外顯子跳躍到新剪接產(chǎn)物形成的完整致病鏈條。在基因表達(dá)調(diào)控上，它能以高達(dá)90%的準(zhǔn)確率，判斷一個(gè)DNA變異究竟是“打開”還是“關(guān)閉”某個(gè)基因，并且其識(shí)別出的這類功能性變異的數(shù)量，是此前最佳模型的兩倍有余。這一能力對(duì)于解讀“致病基因在哪里”的全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）至關(guān)重要，因?yàn)樗転檫@些區(qū)域內(nèi)的變異賦予一個(gè)明確的功能性方向。 模型在長(zhǎng)程調(diào)控與機(jī)制可解釋性上也展現(xiàn)出卓越性能。 AlphaGenome在零樣本條件下，連接遠(yuǎn)端“增強(qiáng)子”（相當(dāng)于基因的遠(yuǎn)程遙控器）與其目標(biāo)基因的表現(xiàn)，即可比肩專門為此訓(xùn)練的模型，證明其真正習(xí)得了三維空間下的長(zhǎng)程調(diào)控邏輯。此外，在預(yù)測(cè)影響DNA“開放程度”或調(diào)控蛋白結(jié)合的變異時(shí)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度一致；通過計(jì)算機(jī)模擬變異，研究人員能清晰地看到，預(yù)測(cè)效應(yīng)大的變異往往破壞了或創(chuàng)建了關(guān)鍵調(diào)控蛋白的結(jié)合密碼，這為預(yù)測(cè)結(jié)果提供了直接、可驗(yàn)證的分子機(jī)制解釋。

圖 2 AlphaGenome在基因表達(dá)層面的變異效應(yīng)預(yù)測(cè)能力示意。該圖聚焦eQTL預(yù)測(cè)核心場(chǎng)景，清晰呈現(xiàn)模型對(duì)eQTL效應(yīng)大小與方向的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)結(jié)果，以及在GWAS可信區(qū)間解讀、增強(qiáng)子-基因連接預(yù)測(cè)中的落地應(yīng)用。其完整覆蓋從eQTL分子機(jī)制分析到復(fù)雜疾病關(guān)聯(lián)研究的表達(dá)調(diào)控鏈條，直觀體現(xiàn)了模型從基礎(chǔ)科研到臨床相關(guān)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化價(jià)值。

不止于預(yù)測(cè)：多模態(tài)視角下的機(jī)制解讀

AlphaGenome真正的強(qiáng)大之處，在于它能用一個(gè)統(tǒng)一的視角，看清整個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全貌。研究團(tuán)隊(duì)用一個(gè)經(jīng)典的癌癥案例驗(yàn)證了這一點(diǎn)：在T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病中，TAL1癌基因附近有三個(gè)不同位置的突變——有的在基因上游，有的在內(nèi)部，有的在下游。它們位置迥異，卻都導(dǎo)致了同一個(gè)結(jié)果：TAL1基因被異常“激活”了。 當(dāng)團(tuán)隊(duì)在相關(guān)細(xì)胞上運(yùn)行AlphaGenome時(shí)，模型就像一臺(tái)“時(shí)間回溯相機(jī)”，完整還原了這起基因調(diào)控案的作案全過程： 對(duì)于上游的那個(gè)突變，模型“看到”原本沉睡的DNA區(qū)域突然亮起了“激活”的指示燈——染色質(zhì)變得開放，增強(qiáng)子標(biāo)記出現(xiàn)，這意味著這里新生成了一個(gè)“遠(yuǎn)程開關(guān)”。與此同時(shí)，TAL1基因本身的“活躍生產(chǎn)”標(biāo)記顯著增強(qiáng)，而“靜默關(guān)閉”的抑制標(biāo)記則隨之減弱。這些來自不同層面的變化，最終都匯聚到一個(gè)可觀測(cè)的結(jié)果上：TAL1基因的“產(chǎn)量”明顯增加了。 通過一次模型調(diào)用，AlphaGenome就提供了一條完整的證據(jù)鏈：它同時(shí)“觀測(cè)”了染色質(zhì)狀態(tài)（DNA是封閉還是開放）、表觀修飾（哪些開關(guān)被按下），以及最終的基因表達(dá)（生產(chǎn)是否啟動(dòng)），將三個(gè)位置迥異的突變?nèi)绾瓮ㄟ^不同路徑殊途同歸的過程，清晰地串聯(lián)了起來。后續(xù)的模擬分析進(jìn)一步指出，那個(gè)上游突變很可能是在DNA上“畫”出了一個(gè)名為MYB的轉(zhuǎn)錄因子的“落腳點(diǎn)”，從而觸發(fā)了整個(gè)連鎖反應(yīng)。

圖 3 AlphaGenome跨模態(tài)解讀TAL1癌基因變異效應(yīng)示意。該圖聚焦T-ALL中TAL1癌基因激活場(chǎng)景，通過示意圖呈現(xiàn)三類非編碼突變位點(diǎn)分布，并以經(jīng)典插入突變?yōu)槔敿?xì)展示其在多模態(tài)表觀修飾與表達(dá)水平上的REF-ALT變化。ISM分析揭示該突變引入MYB轉(zhuǎn)錄因子基序，多模態(tài)聚類熱圖進(jìn)一步將致癌突變與對(duì)照突變?cè)谡{(diào)控特征上明顯區(qū)分。通過整合多維度調(diào)控信號(hào)，該圖直觀揭示了非編碼突變驅(qū)動(dòng)TAL1異常表達(dá)的分子機(jī)制，是本研究跨模態(tài)解讀能力的核心示例。

探索模型設(shè)計(jì)的“黑箱”：關(guān)鍵要素的消融研究

一個(gè)復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型就像一個(gè)黑盒，其卓越性能究竟來源于哪些設(shè)計(jì)？研究團(tuán)隊(duì)通過一系列的“消融實(shí)驗(yàn)”來探究這個(gè)問題。

• 分辨率是關(guān)鍵：對(duì)于剪接、ATAC-seq這類需要精細(xì)定位的任務(wù)，1 bp的分辨率是不可或缺的。降低分辨率會(huì)直接導(dǎo)致性能下降。而對(duì)于染色質(zhì)接觸圖譜或組蛋白修飾這類本身信號(hào)就較粗糙的任務(wù)，對(duì)分辨率的敏感度則較低。

• 長(zhǎng)序列訓(xùn)練至關(guān)重要：在1 Mb全長(zhǎng)上訓(xùn)練的模型，即使只在較短的序列上進(jìn)行推斷，其表現(xiàn)也優(yōu)于或相當(dāng)于那些用短序列訓(xùn)練和評(píng)估的模型。這表明，在訓(xùn)練階段接觸長(zhǎng)序列上下文，能讓模型學(xué)習(xí)到更普適的調(diào)控語法。

• 蒸餾技術(shù)的價(jià)值：蒸餾技術(shù)能將多個(gè)“教師”模型的知識(shí)濃縮進(jìn)一個(gè)“學(xué)生”模型中，使其性能接近甚至超過簡(jiǎn)單的模型集成，但計(jì)算成本卻大大降低，是實(shí)現(xiàn)高效大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

• 多模態(tài)學(xué)習(xí)的協(xié)同效應(yīng)：雖然在單一任務(wù)（如預(yù)測(cè)可及性變異）上，僅用可及性數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型表現(xiàn)不錯(cuò)，但一個(gè)整合了所有模態(tài)的完全多模態(tài)模型，在絕大多數(shù)任務(wù)，特別是像eQTL預(yù)測(cè)這樣需要綜合多種調(diào)控線索的復(fù)雜任務(wù)上，表現(xiàn)更佳。這說明不同模態(tài)的數(shù)據(jù)之間存在協(xié)同效應(yīng)，共同促進(jìn)了模型對(duì)調(diào)控語言更深層次的理解。

圖7 AlphaGenome消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果總覽。圖中展示了模型核心設(shè)計(jì)要素的性能影響，系統(tǒng)呈現(xiàn)目標(biāo)分辨率、序列長(zhǎng)度、集成與蒸餾、多模態(tài)學(xué)習(xí)四大維度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直觀揭示各設(shè)計(jì)要素對(duì)基因組軌跡預(yù)測(cè)、變異效應(yīng)預(yù)測(cè)性能的作用規(guī)律。通過量化分析明確關(guān)鍵優(yōu)化方向，是解讀模型性能優(yōu)勢(shì)來源的核心可視化支撐。

結(jié)論與展望：通往可編程基因組的新工具

AlphaGenome的出現(xiàn)，標(biāo)志著我們向真正“讀懂”基因組邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。它提供了一個(gè)強(qiáng)大的統(tǒng)一框架，能夠從序列出發(fā)，以前所未有的廣度、深度和精度預(yù)測(cè)基因組的多樣功能，并在解讀致病性非編碼變異方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。

當(dāng)然，它并非終點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)也坦誠(chéng)地指出了當(dāng)前模型的局限性，例如對(duì)超遠(yuǎn)端（>100 kb）調(diào)控的捕捉仍有提升空間，對(duì)非編碼基因的覆蓋不足，以及對(duì)個(gè)人基因組變異的預(yù)測(cè)仍是挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展方向可能包括：整合更多樣的物種和單細(xì)胞數(shù)據(jù)，融入DNA語言模型，以及開發(fā)更完善的偏差校正方法。

盡管如此，AlphaGenome作為一款基礎(chǔ)性工具，其應(yīng)用前景依然廣闊。在基礎(chǔ)生物學(xué)研究中，它可以作為計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的引擎，快速生成假設(shè)，指導(dǎo)濕實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。在罕見病診斷中，它的預(yù)測(cè)可以為那些意義不明的非編碼變異提供關(guān)鍵的功能證據(jù)。在生物技術(shù)領(lǐng)域，它有望用于理性設(shè)計(jì)具有特定功能的合成序列，如組織特異性增強(qiáng)子或治療性反義寡核苷酸。

正如研究團(tuán)隊(duì)所言，AlphaGenome向著“破譯DNA序列中編碼的復(fù)雜細(xì)胞過程”這一宏大目標(biāo)，提供了一個(gè)強(qiáng)大的新起點(diǎn)。它不僅是一個(gè)預(yù)測(cè)工具，更是一個(gè)幫助我們理解生命之書的新透鏡。

生命復(fù)雜性讀書會(huì)：

生命復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)成原理

在生物學(xué)中心法則的起點(diǎn)，基因作為生命復(fù)雜系統(tǒng)的遺傳信息載體，在生命周期內(nèi)穩(wěn)定存在；而位于中心法則末端的蛋白質(zhì)，其組織構(gòu)成和時(shí)空變化的復(fù)雜性呈指數(shù)式增長(zhǎng)。隨著分子生物學(xué)數(shù)十年來的突飛猛進(jìn)，尤其是生命組學(xué)（基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等的集合）等領(lǐng)域的日新月異，當(dāng)代生命科學(xué)臨近爆發(fā)的邊緣。如此海量的數(shù)據(jù)如何幫助我們揭示宇宙中最復(fù)雜的物質(zhì)系統(tǒng)——“人體”的構(gòu)成原理和設(shè)計(jì)原理？闡釋人類發(fā)育、衰老和重大疾病的發(fā)生機(jī)制？

集智俱樂部聯(lián)合西湖大學(xué)理學(xué)院及交叉科學(xué)中心講席教授湯雷翰，國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）副研究員常乘、李楊，香港浸會(huì)大學(xué)助理教授唐乾元，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院研究員林一瀚，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后唐詩(shī)婕，共同發(fā)起，從微觀細(xì)胞尺度、介觀組織器官尺度到宏觀人體尺度，梳理生命科學(xué)領(lǐng)域中的重要問題及重要數(shù)據(jù)，由生物學(xué)家提問，希望促進(jìn)統(tǒng)計(jì)物理、機(jī)器學(xué)習(xí)方法研究者和生命科學(xué)研究者之間的深度交流，建立跨學(xué)科合作關(guān)系，激發(fā)新的研究思路和合作項(xiàng)目。讀書會(huì)目前共進(jìn)行10期，現(xiàn)在報(bào)名參與讀書會(huì)可以加入讀書會(huì)社群，觀看視頻回放，解鎖完整讀書會(huì)權(quán)限。

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