An overview on nucleic-acid G-quadruplex prediction: from rule-based methods to deep neural networks

核酸 人工智能 可解释性 计算机科学 深度学习 人工神经网络 核糖核酸 机器学习 计算生物学 DNA 生物 遗传学 基因
作者
Karin Elimelech-Zohar,Yaron Orenstein
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:24 (4) 被引量:9
标识
DOI:10.1093/bib/bbad252
摘要

Abstract Nucleic-acid G-quadruplexes (G4s) play vital roles in many cellular processes. Due to their importance, researchers have developed experimental assays to measure nucleic-acid G4s in high throughput. The generated high-throughput datasets gave rise to unique opportunities to develop machine-learning-based methods, and in particular deep neural networks, to predict G4s in any given nucleic-acid sequence and any species. In this paper, we review the success stories of deep-neural-network applications for G4 prediction. We first cover the experimental technologies that generated the most comprehensive nucleic-acid G4 high-throughput datasets in recent years. We then review classic rule-based methods for G4 prediction. We proceed by reviewing the major machine-learning and deep-neural-network applications to nucleic-acid G4 datasets and report a novel comparison between them. Next, we present the interpretability techniques used on the trained neural networks to learn key molecular principles underlying nucleic-acid G4 folding. As a new result, we calculate the overlap between measured DNA and RNA G4s and compare the performance of DNA- and RNA-G4 predictors on RNA- and DNA-G4 datasets, respectively, to demonstrate the potential of transfer learning from DNA G4s to RNA G4s. Last, we conclude with open questions in the field of nucleic-acid G4 prediction and computational modeling.
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