DNA methylation is a crucial regulator of gene transcription and has been linked to various diseases, including autoimmune diseases and cancers. However, diagnostics based on DNA methylation face challenges due to large feature sets and small sample sizes, resulting in overfitting and suboptimal performance. To address these issues, we propose MIRACLE, a novel interpretable neural network that leverages autoencoder-based multi-task learning to integrate multiple datasets and jointly identify common patterns in DNA methylation. MIRACLE's architecture reflects the relationships between methylation sites, genes, and pathways, ensuring biological interpretability and meaningfulness. The network comprises an encoder and a decoder, with a bottleneck layer representing pathway information as the basic unit of heredity. Customized defined MaskedLinear Layer is constrained by site-gene-pathway graph adjacency matrix information, which provides explainability and expresses the site-gene-pathway hierarchical structure explicitly. And from the embedding, there are different multi-task classifiers to predict diseases. Tested on six datasets, including rheumatoid arthritis, systemic lupus erythematosus, multiple sclerosis, inflammatory bowel disease, psoriasis, and type 1 diabetes, MIRACLE demonstrates robust performance in identifying common functions of DNA methylation across different phenotypes, with higher accuracy in prediction dieseases than baseline methods. By incorporating biological prior knowledge, MIRACLE offers a meaningful and interpretable framework for DNA methylation data analysis in the context of autoimmune diseases.


翻译:DNA甲基化是基因转录的关键调控因子,已被证实与包括自身免疫性疾病和癌症在内的多种疾病相关。然而,基于DNA甲基化的诊断因特征集庞大而样本量小面临挑战,易导致过拟合及性能欠佳。为解决这些问题,我们提出MIRACLE这一新型可解释神经网络,通过基于自编码器的多任务学习整合多个数据集,联合识别DNA甲基化的共同模式。MIRACLE的架构反映了甲基化位点、基因和通路之间的关联,确保生物可解释性与意义性。该网络由编码器和解码器组成,瓶颈层将通路信息表征为遗传基本单元。自定义的MaskedLinear层受位点-基因-通路图邻接矩阵信息约束,既提供可解释性,又显式表达位点-基因-通路的层级结构。从嵌入表示出发,多个多任务分类器分别进行疾病预测。在包含类风湿关节炎、系统性红斑狼疮、多发性硬化症、炎症性肠病、银屑病和1型糖尿病的六个数据集上的测试表明,MIRACLE在识别不同表型间DNA甲基化共同功能方面表现稳健,且疾病预测准确率优于基线方法。通过整合生物学先验知识,MIRACLE为自身免疫疾病背景下的DNA甲基化数据分析提供了有意义且可解释的框架。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
战力倍增器:自主武器系统与乌克兰及加沙冲突
人工智能赋能战场情报:提速决策进程
专知会员服务
2+阅读 · 7月17日
《拥抱新兴技术:面向未来军官的教育革新》
专知会员服务
5+阅读 · 7月17日
《无人地面战车(UGV)的崛起》报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月16日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员