G4mismatch: Deep neural networks to predict G-quadruplex propensity based on G4-seq data

作者
Mira Barshai,Barak Engel,Idan Haim,Yaron Orenstein
出处
期刊:PLOS Computational Biology [Public Library of Science]
卷期号:19 (3): e1010948-e1010948 被引量:23
标识
DOI:10.1371/journal.pcbi.1010948
摘要

G-quadruplexes are non-B-DNA structures that form in the genome facilitated by Hoogsteen bonds between guanines in single or multiple strands of DNA. The functions of G-quadruplexes are linked to various molecular and disease phenotypes, and thus researchers are interested in measuring G-quadruplex formation genome-wide. Experimentally measuring G-quadruplexes is a long and laborious process. Computational prediction of G-quadruplex propensity from a given DNA sequence is thus a long-standing challenge. Unfortunately, despite the availability of high-throughput datasets measuring G-quadruplex propensity in the form of mismatch scores, extant methods to predict G-quadruplex formation either rely on small datasets or are based on domain-knowledge rules. We developed G4mismatch, a novel algorithm to accurately and efficiently predict G-quadruplex propensity for any genomic sequence. G4mismatch is based on a convolutional neural network trained on almost 400 millions human genomic loci measured in a single G4-seq experiment. When tested on sequences from a held-out chromosome, G4mismatch, the first method to predict mismatch scores genome-wide, achieved a Pearson correlation of over 0.8. When benchmarked on independent datasets derived from various animal species, G4mismatch trained on human data predicted G-quadruplex propensity genome-wide with high accuracy (Pearson correlations greater than 0.7). Moreover, when tested in detecting G-quadruplexes genome-wide using the predicted mismatch scores, G4mismatch achieved superior performance compared to extant methods. Last, we demonstrate the ability to deduce the mechanism behind G-quadruplex formation by unique visualization of the principles learned by the model.

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