DIRECT-NET: An efficient method to discover cis-regulatory elements and construct regulatory networks from single-cell multiomics data

计算生物学 染色质 基因调控网络 功能基因组学 生物 基因组学 基因表达调控 基因 转录因子 转录调控 基因组 计算机科学 遗传学 基因表达
作者
Lihua Zhang,Jing Zhang,Qing Nie
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:8 (22) 被引量:31
标识
DOI:10.1126/sciadv.abl7393
摘要

The emergence of single-cell multiomics data provides unprecedented opportunities to scrutinize the transcriptional regulatory mechanisms controlling cell identity. However, how to use those datasets to dissect the cis-regulatory element (CRE)-to-gene relationships at a single-cell level remains a major challenge. Here, we present DIRECT-NET, a machine-learning method based on gradient boosting, to identify genome-wide CREs and their relationship to target genes, either from parallel single-cell gene expression and chromatin accessibility data or from single-cell chromatin accessibility data alone. By extensively evaluating and characterizing DIRECT-NET's predicted CREs using independent functional genomics data, we find that DIRECT-NET substantially improves the accuracy of inferring CRE-to-gene relationships in comparison to existing methods. DIRECT-NET is also capable of revealing cell subpopulation-specific and dynamic regulatory linkages. Overall, DIRECT-NET provides an efficient tool for predicting transcriptional regulation codes from single-cell multiomics data.

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