TRAmHap: accurate prediction of transcriptional activity from DNA methylation haplotypes in bisulfite-sequencing data

德纳姆 DNA甲基化 发起人 表观遗传学 生物 增强子 染色质 基因 基因表达调控 基因表达 遗传学 甲基化 计算生物学 转录调控
作者
Siqi Gao,Huarui Zhu,CAI Kangwen,Leiqin Liu,Zhiqiang Zhang,Yi Ding,Yaochen Xu,Xiaoqi Zheng,Jiantao Shi
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:24 (4)
标识
DOI:10.1093/bib/bbad214
摘要

Abstract Deoxyribonucleic acid (DNA) methylation (DNAm) is an important epigenetic mechanism that plays a role in chromatin structure and transcriptional regulation. Elucidating the relationship between DNAm and gene expression is of great importance for understanding its role in transcriptional regulation. The conventional approach is to construct machine-learning-based methods to predict gene expression based on mean methylation signals in promoter regions. However, this type of strategy only explains about 25% of gene expression variation, and hence is inadequate in elucidating the relationship between DNAm and transcriptional activity. In addition, using mean methylation as input features neglects the heterogeneity of cell populations that can be reflected by DNAm haplotypes. We here developed TRAmaHap, a novel deep-learning framework that predicts gene expression by utilizing the characteristics of DNAm haplotypes in proximal promoters and distal enhancers. Using benchmark data of human and mouse normal tissues, TRAmHap shows much higher accuracy than existing machine-learning based methods, by explaining 60~80% of gene expression variation across tissue types and disease conditions. Our model demonstrated that gene expression can be accurately predicted by DNAm patterns in promoters and long-range enhancers as far as 25 kb away from transcription start site, especially in the presence of intra-gene chromatin interactions.
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