Machine learning for deciphering cell heterogeneity and gene regulation

表观遗传学 表观遗传学 非负矩阵分解 计算机科学 计算生物学 基因 基因组 生物 人工智能 机器学习 基因表达 矩阵分解 DNA甲基化 遗传学 物理 量子力学 特征向量
作者
Michael Scherer,Florian Schmidt,Olga Lazareva,Jörn Walter,Jan Baumbach,Marcel H. Schulz,Markus List
出处
期刊:Nature Computational Science [Springer Nature]
卷期号:1 (3): 183-191 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s43588-021-00038-7
摘要

Epigenetics studies inheritable and reversible modifications of DNA that allow cells to control gene expression throughout their development and in response to environmental conditions. In computational epigenomics, machine learning is applied to study various epigenetic mechanisms genome wide. Its aim is to expand our understanding of cell differentiation, that is their specialization, in health and disease. Thus far, most efforts focus on understanding the functional encoding of the genome and on unraveling cell-type heterogeneity. Here, we provide an overview of state-of-the-art computational methods and their underlying statistical concepts, which range from matrix factorization and regularized linear regression to deep learning methods. We further show how the rise of single-cell technology leads to new computational challenges and creates opportunities to further our understanding of epigenetic regulation. Massive datasets have been made available to enable systematic studies of gene regulation and its control via epigenetic mechanisms. In this Review, state-of-the-art computational methods used to effectively extract knowledge from these datasets are presented and discussed.
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