Finding motifs using DNA images derived from sparse representations

MOTIVATION: Motifs play a crucial role in computational biology, as they provide valuable information about the binding specificity of proteins. However, conventional motif discovery methods typically rely on simple combinatoric or probabilistic approaches, which can be biased by heuristics such as substring-masking for multiple motif discovery. In recent years, deep neural networks have become increasingly popular for motif discovery, as they are capable of capturing complex patterns in data. Nonetheless, inferring motifs from neural networks remains a challenging problem, both from a modeling and computational standpoint, despite the success of these networks in supervised learning tasks. RESULTS: We present a principled representation learning approach based on a hierarchical sparse representation for motif discovery. Our method effectively discovers gapped, long, or overlapping motifs that we show to commonly exist in next-generation sequencing datasets, in addition to the short and enriched primary binding sites. Our model is fully interpretable, fast, and capable of capturing motifs in a large number of DNA strings. A key concept emerged from our approach-enumerating at the image level-effectively overcomes the k-mers paradigm, enabling modest computational resources for capturing the long and varied but conserved patterns, in addition to capturing the primary binding sites. AVAILABILITY AND IMPLEMENTATION: Our method is available as a Julia package under the MIT license at https://github.com/kchu25/MOTIFs.jl, and the results on experimental data can be found at https://zenodo.org/record/7783033

Novel computational methods for studying the role and interactions of transcription factors in gene regulation

Regulation of which genes are expressed and when enables the existence of different cell types sharing the same genetic code in their DNA. Erroneously functioning gene regulation can lead to diseases such as cancer. Gene regulatory programs can malfunction in several ways. Often if a disease is caused by a defective protein, the cause is a mutation in the gene coding for the protein rendering the protein unable to perform its functions properly. However, protein-coding genes make up only about 1.5% of the human genome, and majority of all disease-associated mutations discovered reside outside protein-coding genes. The mechanisms of action of these non-coding disease-associated mutations are far more incompletely understood. Binding of transcription factors (TFs) to DNA controls the rate of transcribing genetic information from the coding DNA sequence to RNA. Binding affinities of TFs to DNA have been extensively measured in vitro, ligands by exponential enrichment) and Protein Binding Microarrays (PBMs), and the genome-wide binding locations and patterns of TFs have been mapped in dozens of cell types. Despite this, our understanding of how TF binding to regulatory regions of the genome, promoters and enhancers, leads to gene expression is not at the level where gene expression could be reliably predicted based on DNA sequence only. In this work, we develop and apply computational tools to analyze and model the effects of TF-DNA binding. We also develop new methods for interpreting and understanding deep learning-based models trained on biological sequence data. In biological applications, the ability to understand how machine learning models make predictions is as, or even more important as raw predictive performance. This has created a demand for approaches helping researchers extract biologically meaningful information from deep learning model predictions. We develop a novel computational method for determining TF binding sites genome-wide from recently developed high-resolution ChIP-exo and ChIP-nexus experiments. We demonstrate that our method performs similarly or better than previously published methods while making less assumptions about the data. We also describe an improved algorithm for calling allele-specific TF-DNA binding. We utilize deep learning methods to learn features predicting transcriptional activity of human promoters and enhancers. The deep learning models are trained on massively parallel reporter gene assay (MPRA) data from human genomic regulatory elements, designed regulatory elements and promoters and enhancers selected from totally random pool of synthetic input DNA. This unprecedentedly large set of measurements of human gene regulatory element activities, in total more than 100 times the size of the human genome, allowed us to train models that were able to predict genomic transcription start site positions more accurately than models trained on genomic promoters, and to correctly predict effects of disease-associated promoter variants. We also found that interactions between promoters and local classical enhancers are non-specific in nature. The MPRA data integrated with extensive epigenetic measurements supports existence of three different classes of enhancers: classical enhancers, closed chromatin enhancers and chromatin-dependent enhancers. We also show that TFs can be divided into four different, non-exclusive classes based on their activities: chromatin opening, enhancing, promoting and TSS determining TFs. Interpreting the deep learning models of human gene regulatory elements required application of several existing model interpretation tools as well as developing new approaches. Here, we describe two new methods for visualizing features and interactions learned by deep learning models. Firstly, we describe an algorithm for testing if a deep learning model has learned an existing binding motif of a TF. Secondly, we visualize mutual information between pairwise k-mer distributions in sample inputs selected according to predictions by a machine learning model. This method highlights pairwise, and positional dependencies learned by a machine learning model. We demonstrate the use of this model-agnostic approach with classification and regression models trained on DNA, RNA and amino acid sequences.Monet eliöt koostuvat useista erilaisista solutyypeistä, vaikka kaikissa näiden eliöiden soluissa onkin sama DNA-koodi. Geenien ilmentymisen säätely mahdollistaa erilaiset solutyypit. Virheellisesti toimiva säätely voi johtaa sairauksiin, esimerkiksi syövän puhkeamiseen. Jos sairauden aiheuttaa viallinen proteiini, on syynä usein mutaatio tätä proteiinia koodaavassa geenissä, joka muuttaa proteiinia siten, ettei se enää pysty toimittamaan tehtäväänsä riittävän hyvin. Kuitenkin vain 1,5 % ihmisen genomista on proteiineja koodaavia geenejä. Suurin osa kaikista löydetyistä sairauksiin liitetyistä mutaatioista sijaitsee näiden ns. koodaavien alueiden ulkopuolella. Ei-koodaavien sairauksiin liitetyiden mutaatioiden vaikutusmekanismit ovat yleisesti paljon huonommin tunnettuja, kuin koodaavien alueiden mutaatioiden. Transkriptiotekijöiden sitoutuminen DNA:han säätelee transkriptiota, eli geeneissä olevan geneettisen informaation lukemista ja muuntamista RNA:ksi. Transkriptiotekijöiden sitoutumista DNA:han on mitattu kattavasti in vitro-olosuhteissa, ja monien transkriptiotekijöiden sitoutumiskohdat on mitattu genominlaajuisesti useissa eri solutyypeissä. Tästä huolimatta ymmärryksemme siitä miten transkriptioitekijöiden sitoutuminen genomin säätelyelementteihin, eli promoottoreihin ja vahvistajiin, johtaa geenien ilmentymiseen ei ole sellaisella tasolla, että voisimme luotettavasti ennustaa geenien ilmentymistä pelkästään DNA-sekvenssin perusteella. Tässä työssä kehitämme ja sovellamme laskennallisia työkaluja transkriptiotekijöiden sitoutumisesta johtuvan geenien ilmentymisen analysointiin ja mallintamiseen. Kehitämme myös uusia menetelmiä biologisella sekvenssidatalla opetettujen syväoppimismallien tulkitsemiseksi. Koneoppimismallin tekemien ennusteiden ymmärrettävyys on biologisissa sovelluksissa yleensä yhtä tärkeää, ellei jopa tärkeämpää kuin pelkkä raaka ennustetarkkuus. Tämä on synnyttänyt tarpeen uusille menetelmille, jotka auttavat tutkijoita louhimaan biologisesti merkityksellistä tietoa syväoppimismallien ennusteista. Kehitimme tässä työssä uuden laskennallisen työkalun, jolla voidaan määrittää transkriptiotekijöiden sitoutumiskohdat genominlaajuisesti käyttäen mittausdataa hiljattain kehitetyistä korkearesoluutioisista ChIP-exo ja ChIP-nexus kokeista. Näytämme, että kehittämämme menetelmä suoriutuu paremmin, tai vähintään yhtä hyvin kuin aiemmin julkaistut menetelmät tehden näitä vähemmän oletuksia signaalin muodosta. Esittelemme myös parannellun algoritmin transkriptiotekijöiden alleelispesifin sitoutumisen määrittämiseksi. Käytämme syväoppimismenetelmiä oppimaan mitkä ominaisuudet ennustavat ihmisen promoottori- ja voimistajaelementtien aktiivisuutta. Nämä syväoppimismallit on opetettu valtavien rinnakkaisten reportterigeenikokeiden datalla ihmisen genomisista säätelyelementeistä, sekä aktiivisista promoottoreista ja voimistajista, jotka ovat valikoituneet satunnaisesta joukosta synteettisiä DNA-sekvenssejä. Tämä ennennäkemättömän laaja joukko mittauksia ihmisen säätelyelementtien aktiivisuudesta - yli satakertainen määrä DNA sekvenssiä ihmisen genomiin verrattuna - mahdollisti transkription aloituskohtien sijainnin ennustamisen ihmisen genomissa tarkemmin kuin ihmisen genomilla opetetut mallit. Nämä mallit myös ennustivat oikein sairauksiin liitettyjen mutaatioiden vaikutukset ihmisen promoottoreilla. Tuloksemme näyttivät, että vuorovaikutukset ihmisen promoottorien ja klassisten paikallisten voimistajien välillä ovat epäspesifejä. MPRA-data, integroituna kattavien epigeneettisten mittausten kanssa mahdollisti voimistajaelementtien jaon kolmeen luokkaan: klassiset, suljetun kromatiinin, ja kromatiinista riippuvat voimistajat. Tutkimuksemme osoitti, että transkriptiotekijät voidaan jakaa neljään, osittain päällekkäiseen luokkaan niiden aktiivisuuksien perusteella: kromatiinia avaaviin, voimistaviin, promotoiviin ja transkription aloituskohdan määrittäviin transkriptiotekijöihin. Ihmisen genomin säätelyelementtejä kuvaavien syväoppimismallien tulkitseminen vaati sekä olemassa olevien menetelmien soveltamista, että uusien kehittämistä. Kehitimme tässä työssä kaksi uutta menetelmää syväoppimismallien oppimien muuttujien ja niiden välisten vuorovaikutusten visualisoimiseksi. Ensin esittelemme algoritmin, jonka avulla voidaan testata onko syväoppimismalli oppinut jonkin jo tunnetun transkriptiotekijän sitoutumishahmon. Toiseksi, visualisoimme positiokohtaisten k-meerijakaumien keskeisinformaatiota sekvensseissä, jotka on valittu syväoppimismallin ennusteiden perusteella. Tämä menetelmä paljastaa syväoppimismallin oppimat parivuorovaikutukset ja positiokohtaiset riippuvuudet. Näytämme, että kehittämämme menetelmä on mallin arkkitehtuurista riippumaton soveltamalla sitä sekä luokittelijoihin, että regressiomalleihin, jotka on opetettu joko DNA-, RNA-, tai aminohapposekvenssidatalla

Global Importance Analysis: An Interpretability Method to Quantify Importance of Genomic Features in Deep Neural Networks

ABSTRACT Deep neural networks have demonstrated improved performance at predicting the sequence specificities of DNA- and RNA-binding proteins compared to previous methods that rely on k -mers and position weight matrices. To gain insights into why a DNN makes a given prediction, model interpretability methods, such as attribution methods, can be employed to identify motif-like representations along a given sequence. Because explanations are given on an individual sequence basis and can vary substantially across sequences, deducing generalizable trends across the dataset and quantifying their effect size remains a challenge. Here we introduce global importance analysis (GIA), a model interpretability method that quantifies the population-level effect size that putative patterns have on model predictions. GIA provides an avenue to quantitatively test hypotheses of putative patterns and their interactions with other patterns, as well as map out specific functions the network has learned. As a case study, we demonstrate the utility of GIA on the computational task of predicting RNA-protein interactions from sequence. We first introduce a convolutional network, we call ResidualBind, and benchmark its performance against previous methods on RNAcompete data. Using GIA, we then demonstrate that in addition to sequence motifs, ResidualBind learns a model that considers the number of motifs, their spacing, and sequence context, such as RNA secondary structure and GC-bias

Learning the Regulatory Code of Gene Expression

Data-driven machine learning is the method of choice for predicting molecular phenotypes from nucleotide sequence, modeling gene expression events including protein-DNA binding, chromatin states as well as mRNA and protein levels. Deep neural networks automatically learn informative sequence representations and interpreting them enables us to improve our understanding of the regulatory code governing gene expression. Here, we review the latest developments that apply shallow or deep learning to quantify molecular phenotypes and decode the cis-regulatory grammar from prokaryotic and eukaryotic sequencing data. Our approach is to build from the ground up, first focusing on the initiating protein-DNA interactions, then specific coding and non-coding regions, and finally on advances that combine multiple parts of the gene and mRNA regulatory structures, achieving unprecedented performance. We thus provide a quantitative view of gene expression regulation from nucleotide sequence, concluding with an information-centric overview of the central dogma of molecular biology