TF-EPI: an interpretable enhancer-promoter interaction detection method based on Transformer

增强子 计算生物学 转录因子 发起人 调节顺序 变压器 生物 基因 计算机科学 遗传学 基因表达 电压 物理 量子力学
作者
Lei Zhu,Weihang Zhang,Xin Zeng,Martin Loza,Sung‐Joon Park,Kenta Nakai
出处
期刊:Frontiers in Genetics [Frontiers Media SA]
卷期号:15
标识
DOI:10.3389/fgene.2024.1444459
摘要

The detection of enhancer-promoter interactions (EPIs) is crucial for understanding gene expression regulation, disease mechanisms, and more. In this study, we developed TF-EPI, a deep learning model based on Transformer designed to detect these interactions solely from DNA sequences. The performance of TF-EPI surpassed that of other state-of-the-art methods on multiple benchmark datasets. Importantly, by utilizing the attention mechanism of the Transformer, we identified distinct cell type-specific motifs and sequences in enhancers and promoters, which were validated against databases such as JASPAR and UniBind, highlighting the potential of our method in discovering new biological insights. Moreover, our analysis of the transcription factors (TFs) corresponding to these motifs and short sequence pairs revealed the heterogeneity and commonality of gene regulatory mechanisms and demonstrated the ability to identify TFs relevant to the source information of the cell line. Finally, the introduction of transfer learning can mitigate the challenges posed by cell type-specific gene regulation, yielding enhanced accuracy in cross-cell line EPI detection. Overall, our work unveils important sequence information for the investigation of enhancer-promoter pairs based on the attention mechanism of the Transformer, providing an important milestone in the investigation of cis-regulatory grammar.
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