Interpretable CRISPR/Cas9 off-target activities with mismatches and indels prediction using BERT

清脆的 计算机科学 可解释性 索引 亚基因组mRNA 可视化 Cas9 机器学习 人工智能 计算生物学 深度学习 数据挖掘 生物 遗传学 基因 基因型 单核苷酸多态性
作者
Ye Luo,Yaowen Chen,Huanzeng Xie,Wentao Zhu,Guishan Zhang
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:169: 107932-107932 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2024.107932
摘要

Off-target effects of CRISPR/Cas9 can lead to suboptimal genome editing outcomes. Numerous deep learning-based approaches have achieved excellent performance for off-target prediction; however, few can predict the off-target activities with both mismatches and indels between single guide RNA (sgRNA) and target DNA sequence pair. In addition, data imbalance is a common pitfall for off-target prediction. Moreover, due to the complexity of genomic contexts, generating an interpretable model also remains challenged. To address these issues, firstly we developed a BERT-based model called CRISPR-BERT for enhancing the prediction of off-target activities with both mismatches and indels. Secondly, we proposed an adaptive batch-wise class balancing strategy to combat the noise exists in imbalanced off-target data. Finally, we applied a visualization approach for investigating the generalizable nucleotide position-dependent patterns of sgRNA-DNA pair for off-target activity. In our comprehensive comparison to existing methods on five mismatches-only datasets and two mismatches-and-indels datasets, CRISPR-BERT achieved the best performance in terms of AUROC and PRAUC. Besides, the visualization analysis demonstrated how implicit knowledge learned by CRISPR-BERT facilitates off-target prediction, which shows potential in model interpretability. Collectively, CRISPR-BERT provides an accurate and interpretable framework for off-target prediction, further contributes to sgRNA optimization in practical use for improved target specificity in CRISPR/Cas9 genome editing. The source code is available at https://github.com/BrokenStringx/CRISPR-BERT.
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