PhaGenus: genus-level classification of bacteriophages using a Transformer model

康蒂格 复制 计算机科学 生物分类 人工智能 机器学习 生物 计算生物学 遗传学 进化生物学 基因 基因组 数学 统计
作者
Jiaojiao Guan,Peng Cheng,Jiayu Shang,Xubo Tang,Yanni Sun
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:24 (6)
标识
DOI:10.1093/bib/bbad408
摘要

Abstract Motivation Bacteriophages (phages for short), which prey on and replicate within bacterial cells, have a significant role in modulating microbial communities and hold potential applications in treating antibiotic resistance. The advancement of high-throughput sequencing technology contributes to the discovery of phages tremendously. However, the taxonomic classification of assembled phage contigs still faces several challenges, including high genetic diversity, lack of a stable taxonomy system and limited knowledge of phage annotations. Despite extensive efforts, existing tools have not yet achieved an optimal balance between prediction rate and accuracy. Results In this work, we develop a learning-based model named PhaGenus, which conducts genus-level taxonomic classification for phage contigs. PhaGenus utilizes a powerful Transformer model to learn the association between protein clusters and support the classification of up to 508 genera. We tested PhaGenus on four datasets in different scenarios. The experimental results show that PhaGenus outperforms state-of-the-art methods in predicting low-similarity datasets, achieving an improvement of at least 13.7%. Additionally, PhaGenus is highly effective at identifying previously uncharacterized genera that are not represented in reference databases, with an improvement of 8.52%. The analysis of the infants’ gut and GOV2.0 dataset demonstrates that PhaGenus can be used to classify more contigs with higher accuracy.
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