Interpreting neural networks for biological sequences by learning stochastic masks

计算机科学 突出 人工智能 人工神经网络 特征(语言学) 深度学习 序列(生物学) 机器学习 生物 遗传学 哲学 语言学
作者
Johannes Linder,Alyssa La Fleur,Zibo Chen,Ajasja Ljubetič,David Baker,Sreeram Kannan,Georg Seelig
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:4 (1): 41-54 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s42256-021-00428-6
摘要

Sequence-based neural networks can learn to make accurate predictions from large biological datasets, but model interpretation remains challenging. Many existing feature attribution methods are optimized for continuous rather than discrete input patterns and assess individual feature importance in isolation, making them ill-suited for interpreting non-linear interactions in molecular sequences. Building on work in computer vision and natural language processing, we developed an approach based on deep learning - Scrambler networks - wherein the most salient sequence positions are identified with learned input masks. Scramblers learn to predict Position-Specific Scoring Matrices (PSSMs) where unimportant nucleotides or residues are scrambled by raising their entropy. We apply Scramblers to interpret the effects of genetic variants, uncover non-linear interactions between cis-regulatory elements, explain binding specificity for protein-protein interactions, and identify structural determinants of de novo designed proteins. We show that Scramblers enable efficient attribution across large datasets and result in high-quality explanations, often outperforming state-of-the-art methods.
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