deepTFBS: Improving within‐ and Cross‐Species Prediction of Transcription Factor Binding Using Deep Multi‐Task and Transfer Learning

计算机科学 DNA结合位点 机器学习 任务(项目管理) 转录因子 人工智能 学习迁移 数据挖掘 基因 生物 遗传学 发起人 工程类 基因表达 系统工程
作者
Jingjing Zhai,Yuzhou Zhang,Chujun Zhang,Xiaotong Yin,Minggui Song,Chenglong Tang,Pengjun Ding,Zenglin Li,Chuang Ma
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202503135
摘要

Abstract The precise prediction of transcription factor binding sites (TFBSs) is crucial in understanding gene regulation. In this study, deepTFBS, a comprehensive deep learning (DL) framework that builds a robust DNA language model of TF binding grammar for accurately predicting TFBSs within and across plant species is presented. Taking advantages of multi‐task DL and transfer learning, deepTFBS is capable of leveraging the knowledge learned from large‐scale TF binding profiles to enhance the prediction of TFBSs under small‐sample training and cross‐species prediction tasks. When tested using available information on 359 Arabidopsis TFs, deepTFBS outperformed previously described prediction strategies, including position weight matrix, deepSEA and DanQ, with a 244.49%, 49.15%, and 23.32% improvement of the area under the precision‐recall curve (PRAUC), respectively. Further cross‐species prediction of TFBS in wheat showed that deepTFBS yielded a significant PRAUC improvement of 30.6% over these three baseline models. deepTFBS can also utilize information from gene conservation and binding motifs, enabling efficient TFBS prediction in species where experimental data availability is limited. A case study, focusing on the WUSCHEL ( WUS ) transcription factor, illustrated the potential use of deepTFBS in cross‐species applications, in our example between Arabidopsis and wheat. deepTFBS is publically available at https://github.com/cma2015/deepTFBS .
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