A 5’ UTR Language Model for Decoding Untranslated Regions of mRNA and Function Predictions

非翻译区 翻译(生物学) 五素未翻译区 信使核糖核酸 三素数非翻译区 解码方法 计算生物学 水准点(测量) 蛋白质生物合成 核糖体 计算机科学 功能(生物学) 生物 遗传学 基因 算法 核糖核酸 地理 大地测量学
作者
Yanyi Chu,Daren Yu,Youfu Li,Kaixuan Huang,Yue Shen,Le Cong,Jason Zhang,Mengdi Wang
标识
DOI:10.1101/2023.10.11.561938
摘要

Abstract The 5’ UTR, a regulatory region at the beginning of an mRNA molecule, plays a crucial role in regulating the translation process and impacts the protein expression level. Language models have showcased their effectiveness in decoding the functions of protein and genome sequences. Here, we introduced a language model for 5’ UTR, which we refer to as the UTR-LM. The UTR-LM is pre-trained on endogenous 5’ UTRs from multiple species and is further augmented with supervised information including secondary structure and minimum free energy. We fine-tuned the UTR-LM in a variety of downstream tasks. The model outperformed the best-known benchmark by up to 42% for predicting the Mean Ribosome Loading, and by up to 60% for predicting the Translation Efficiency and the mRNA Expression Level. The model also applies to identifying unannotated Internal Ribosome Entry Sites within the untranslated region and improves the AUPR from 0.37 to 0.52 compared to the best baseline. Further, we designed a library of 211 novel 5’ UTRs with high predicted values of translation efficiency and evaluated them via a wet-lab assay. Experiment results confirmed that our top designs achieved a 32.5% increase in protein production level relative to well-established 5’ UTR optimized for therapeutics.
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