Predicting the translation efficiency of messenger RNA in mammalian cells

非翻译区 信使核糖核酸 卷积神经网络 计算生物学 翻译(生物学) 翻译效率 转录组 序列(生物学) 生物 人工智能 深度学习 计算机科学 遗传学 基因表达 基因
作者
Dinghai Zheng,Jun Wang,Logan Persyn,Yue Liu,Fernando Ulloa Montoya,Can Cenik,Vikram Agarwal
标识
DOI:10.1101/2024.08.11.607362
摘要

The degree to which translational control is specified by mRNA sequence is poorly understood in mammalian cells. Here, we constructed and leveraged a compendium of 3,819 ribosomal profiling datasets, distilling them into a transcriptome-wide atlas of translation efficiency (TE) measurements encompassing >140 human and mouse cell types. We subsequently developed RiboNN, a multitask deep convolutional neural network, and classic machine learning models to predict TEs in hundreds of cell types from sequence-encoded mRNA features, achieving state-of-the-art performance (r=0.79 in human and r=0.78 in mouse for mean TE across cell types). While the majority of earlier models solely considered 5′ UTR sequence, RiboNN integrates contributions from the full-length mRNA sequence, learning that the 5′ UTR, CDS, and 3′ UTR respectively possess ~67%, 31%, and 2% per-nucleotide information density in the specification of mammalian TEs. Interpretation of RiboNN revealed that the spatial positioning of low-level di- and tri-nucleotide features (i.e., including codons) largely explain model performance, capturing mechanistic principles such as how ribosomal processivity and tRNA abundance control translational output. RiboNN is predictive of the translational behavior of base-modified therapeutic RNA, and can explain evolutionary selection pressures in human 5′ UTRs. Finally, it detects a common language governing mRNA regulatory control and highlights the interconnectedness of mRNA translation, stability, and localization in mammalian organisms.
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