Multiomics and deep learning dissect regulatory syntax in human development

染色质 增强子 生物 计算生物学 转录因子 基因表达调控 基因 主题(音乐) 抄写(语言学) 基因调控网络 深度学习 计算机科学 序列母题 遗传学 人类基因组 后生 人工智能 支架/基质附着区域 调节顺序 人类语言 表观遗传学 编码 语法 嘉雅宠物 基因表达 DNA DNA结合位点
作者
Betty B. Liu,Selin Jessa,Samuel H. Kim,Yan Ting Ng,Soon Il Higashino,Georgi K. Marinov,Derek C. Chen,Benjamin Parks,Li Li,Tri C. Nguyen,Austin T. Wang,S. X. Wang,Meng How Tan,Serena Y. Tan,Michael Kosicki,Len A. Pennacchio,Eyal Ben-David,Anca M. Pașca,Anshul Kundaje,Kyle K. H. Farh
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41586-026-10326-9
摘要

Transcription factors establish cell identity during development by binding regulatory DNA in a sequence-specific manner, often promoting local chromatin accessibility and regulating gene expression1. Mapping accessible chromatin offers critical insights into transcriptional control, but available datasets for human development are restricted to bulk tissue, single organs or single modalities2. Here we present the Human Development Multiomic Atlas, a single-cell atlas of chromatin accessibility and gene expression from 817,740 fetal cells across 12 organs, spanning 203 cell types and more than 1 million candidate cis-regulatory elements, many of which exhibit organ-specific in vivo enhancer activity. Deep learning models trained to predict accessibility from local DNA sequence unravel a comprehensive lexicon of motifs that influence accessibility, including composite motifs exhibiting distinct syntactic constraints that are predicted to mediate transcription factor cooperativity. We identify 'hard' syntactic rules requiring precise motif spacing and orientation, 'soft' rules allowing flexible motif arrangements, and ubiquitous motifs inhibiting accessibility. Model-based interpretation of genetic variants reveals that disruption of motifs with positive and negative effects is associated with concordant effects on gene expression. Our work delineates how motif syntax governs cell-type-specific chromatin accessibility and provides a foundational resource for decoding cis-regulatory logic and interpreting genetic variation during human development.
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