Supervised enhancer prediction with epigenetic pattern recognition and targeted validation

增强子 计算生物学 表观遗传学 生物 转录因子 发起人 转导(生物物理学) 计算机科学 基因 机器学习 遗传学 基因表达 生物化学
作者
Anurag Sethi,Mengting Gu,Emrah Gümüşgöz,Landon L. Chan,Koon‐Kiu Yan,Joel Rozowsky,Iros Barozzi,Veena Afzal,Jennifer A. Akiyama,Ingrid Plajzer-Frick,Chengfei Yan,Catherine S. Novak,Momoe Kato,Tyler H. Garvin,Quan Pham,Anne Harrington,Brandon J. Mannion,Elizabeth A. Lee,Y. Fukuda,Axel Visel,Diane E. Dickel,Kevin Y. Yip,Richard E. Sutton,L Pennacchio,Mark Gerstein
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:17 (8): 807-814 被引量:85
标识
DOI:10.1038/s41592-020-0907-8
摘要

Enhancers are important non-coding elements, but they have traditionally been hard to characterize experimentally. The development of massively parallel assays allows the characterization of large numbers of enhancers for the first time. Here, we developed a framework using Drosophila STARR-seq to create shape-matching filters based on meta-profiles of epigenetic features. We integrated these features with supervised machine-learning algorithms to predict enhancers. We further demonstrated that our model could be transferred to predict enhancers in mammals. We comprehensively validated the predictions using a combination of in vivo and in vitro approaches, involving transgenic assays in mice and transduction-based reporter assays in human cell lines (153 enhancers in total). The results confirmed that our model can accurately predict enhancers in different species without re-parameterization. Finally, we examined the transcription factor binding patterns at predicted enhancers versus promoters. We demonstrated that these patterns enable the construction of a secondary model that effectively distinguishes enhancers and promoters. Supervised machine-learning models trained using Drosophila epigenetic and STARR-seq data can be transferred to predict mouse and human enhancers.
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