Deep learning of the regulatory grammar of yeast 5′ untranslated regions from 500,000 random sequences

生物 酿酒酵母 非翻译区 计算生物学 卷积神经网络 三素数非翻译区 调节顺序 遗传学 基因表达调控 基因 五素未翻译区 信使核糖核酸 人工智能 计算机科学
作者
Josh T. Cuperus,Benjamin Groves,Anna Kuchina,Alexander Rosenberg,Nebojša Jojić,Stanley Fields,Georg Seelig
出处
期刊:Genome Research [Cold Spring Harbor Laboratory Press]
卷期号:27 (12): 2015-2024 被引量:187
标识
DOI:10.1101/gr.224964.117
摘要

Our ability to predict protein expression from DNA sequence alone remains poor, reflecting our limited understanding of cis -regulatory grammar and hampering the design of engineered genes for synthetic biology applications. Here, we generate a model that predicts the protein expression of the 5′ untranslated region (UTR) of mRNAs in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We constructed a library of half a million 50-nucleotide-long random 5′ UTRs and assayed their activity in a massively parallel growth selection experiment. The resulting data allow us to quantify the impact on protein expression of Kozak sequence composition, upstream open reading frames (uORFs), and secondary structure. We trained a convolutional neural network (CNN) on the random library and showed that it performs well at predicting the protein expression of both a held-out set of the random 5′ UTRs as well as native S. cerevisiae 5′ UTRs. The model additionally was used to computationally evolve highly active 5′ UTRs. We confirmed experimentally that the great majority of the evolved sequences led to higher protein expression rates than the starting sequences, demonstrating the predictive power of this model.
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