Deep learning-based semantic matching of cis-regulatory DNA sequences facilitates the prediction of gene function

语义相似性 基因 计算生物学 计算机科学 生物 系统发育树 遗传学 相似性(几何) 功能(生物学) 序列(生物学) 语义学(计算机科学) DNA测序 人工智能 序列分析 脚本语言 序列比对 号码簿 序列母题 鉴定(生物学) 基因组 基因预测 匹配(统计) 相似 数据挖掘 系统发育学
作者
T. H. Li
标识
DOI:10.24433/co.1588963.v1
摘要

## PhytoBabel The rich information encoded in cis-regulatory DNA sequences has not been fully exploited for gene function prediction in reverse genetics. Here we show that orthologous cis-regulatory sequences that diverged approximately 160 million years ago share little sequence similarity, yet remarkably retain semantic similarity that can be effectively captured by a deep learning model, PhytoBabel. Although trained solely on orthologous cis-regulatory sequence pairs from 15 angiosperms, PhytoBabel implicitly learned spatio-temporal gene expression patterns, conserved non-coding sequences, semantically similar fragments, and phylogenetic relationships among species. Furthermore, PhytoBabel enables the discovery of evolutionarily unrelated but semantically similar cis-regulatory sequences, facilitating the identification of novel genes with functions of interest. As a proof-of-concept, we identified in maize new somatic embryogenesis-related morphogenic regulators exhibiting semantic similarity to known Arabidopsis morphogenic regulators. By bridging the gap in the cis-regulatory sequence → semantics → gene function information chain, PhytoBabel provides a valuable tool for gene function prediction in reverse genetics. ### Semantic similarity of cis-regulatory DNA sequences prediction `python model_predict.py -r ath_ref_gene.csv -q zma_query_gene.csv -m PhytoBabel_model -s pred_out.csv` ### Parameters -r : Cis-regulatory sequences of reference gene file -q : Cis-regulatory sequences of query gene file -m : The directory containing all models for prediction -s : Semantic similarity prediction results file path -g : Specify the gpu usage ### The scripts used for article analysis can all be found in ‘code used in the manuscript’
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