Machine learning methods to model multicellular complexity and tissue specificity

计算机科学 深度学习 多细胞生物 计算生物学 人工智能 机器学习 生物 细胞 遗传学
作者
Rachel Sealfon,Aaron K. Wong,Olga G. Troyanskaya
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Springer Nature]
卷期号:6 (8): 717-729 被引量:31
标识
DOI:10.1038/s41578-021-00339-3
摘要

Experimental approaches to study tissue specificity enable insight into the nature and organization of the cell types and tissues that constitute complex multicellular organisms. Machine learning provides a powerful tool to investigate and interpret tissue-specific experimental data. In this Review, we first provide a brief introduction to key single-cell and whole-tissue approaches that allow investigation of tissue specificity and then highlight two classes of machine-learning-based methods, which can be applied to analyse, model and interpret these experimental data. Deep learning methods can predict tissue-dependent effects of individual mutations on gene expression, alternative splicing and disease phenotypes. Network-based approaches can capture relationships between biomolecules, integrate large heterogeneous data compendia to model molecular circuits and identify tissue-specific functional relationships and regulatory connections. We conclude with an outlook to future possibilities in examining multicellular complexity by combining high-resolution, large-scale multiomics data sets and interpretable machine learning models. High-throughput experimental technologies can generate large data sets of cell-type-specific information, allowing the study of multicellular complexity. This Review discusses machine learning approaches, in particular, deep learning and network-based models, which can be applied to analyse, interpret and model these data sets.
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