Graph-based self-supervised learning for repeat detection in metagenomic assembly

基因组 计算机科学 分类器(UML) 精确性和召回率 图形 基因组 生物 随机森林 人工智能 德布鲁因图 稳健性(进化) 计算生物学 机器学习 数据挖掘 基因 遗传学 理论计算机科学
作者
Ali Azizpour,Advait Balaji,Todd J. Treangen,Santiago Segarra
出处
期刊:Genome Research [Cold Spring Harbor Laboratory Press]
卷期号:34 (9): 1468-1476 被引量:1
标识
DOI:10.1101/gr.279136.124
摘要

Repetitive DNA (repeats) poses significant challenges for accurate and efficient genome assembly and sequence alignment. This is particularly true for metagenomic data, in which genome dynamics such as horizontal gene transfer, gene duplication, and gene loss/gain complicate accurate genome assembly from metagenomic communities. Detecting repeats is a crucial first step in overcoming these challenges. To address this issue, we propose GraSSRep, a novel approach that leverages the assembly graph's structure through graph neural networks (GNNs) within a self-supervised learning framework to classify DNA sequences into repetitive and nonrepetitive categories. Specifically, we frame this problem as a node classification task within a metagenomic assembly graph. In a self-supervised fashion, we rely on a high-precision (but low-recall) heuristic to generate pseudolabels for a small proportion of the nodes. We then use those pseudolabels to train a GNN embedding and a random forest classifier to propagate the labels to the remaining nodes. In this way, GraSSRep combines sequencing features with predefined and learned graph features to achieve state-of-the-art performance in repeat detection. We evaluate our method using simulated and synthetic metagenomic data sets. The results on the simulated data highlight GraSSRep's robustness to repeat attributes, demonstrating its effectiveness in handling the complexity of repeated sequences. Additionally, experiments with synthetic metagenomic data sets reveal that incorporating the graph structure and the GNN enhances the detection performance. Finally, in comparative analyses, GraSSRep outperforms existing repeat detection tools with respect to precision and recall.

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