Cross-species modeling of plant genomes at single-nucleotide resolution using a pretrained DNA language model

拟南芥 基因组 计算生物学 基因组学 生物 计算机科学 剪接 DNA测序 人工智能 遗传学 DNA 基因 突变体
作者
Jingjing Zhai,Aaron Gokaslan,Yair Schiff,Ana Berthel,Zong-Yan Liu,Wei‐Yun Lai,Zachary Miller,Armin Scheben,Michelle C. Stitzer,M. Cinta Romay,Edward S. Buckler,Volodymyr Kuleshov
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (24): e2421738122-e2421738122 被引量:44
标识
DOI:10.1073/pnas.2421738122
摘要

Interpreting function and fitness effects in diverse plant genomes requires transferable models. Language models (LMs) pretrained on large-scale biological sequences can capture evolutionary conservation and offer cross-species prediction better than supervised models through fine-tuning limited labeled data. We introduce PlantCaduceus, a plant DNA LM that learns evolutionary conservation patterns in 16 angiosperm genomes by modeling both DNA strands simultaneously. When fine-tuned on a small set of labeled Arabidopsis data for tasks such as predicting translation initiation/termination sites and splice donor/acceptor sites, PlantCaduceus demonstrated remarkable transferability to maize, which diverged 160 Mya. The model outperformed the best existing DNA language model by 1.45-fold in maize splice donor prediction and 7.23-fold in maize translation initiation site prediction. In variant effect prediction, PlantCaduceus showed performance comparative to state-of-the-art protein LMs. Mutations predicted to be deleterious by PlantCaduceus showed threefold lower average minor allele frequencies compared to those identified by multiple sequence alignment-based methods. Additionally, PlantCaduceus successfully identifies well-known causal variants in both Arabidopsis and maize. Overall, PlantCaduceus is a versatile DNA LM that can accelerate plant genomics and crop breeding applications.
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