AlphaFold和RoseTTAFold雙劍合璧，成功預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)，北大校友領(lǐng)銜登上Science

魚(yú)羊 2021-11-19 17:23:08 來(lái)源：量子位

魚(yú)羊 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

AlphaFold和RoseTTAFold等AI的橫空出世，可以說(shuō)打開(kāi)了蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)新世界的大門(mén)。

而現(xiàn)在，依靠這倆AI模型的“組合拳”，科學(xué)家們又有了新的突破：

首次確定了超過(guò)100種“疑似”全新蛋白質(zhì)復(fù)合體，并為700多種此前結(jié)構(gòu)未知蛋白質(zhì)復(fù)合體提供了3D結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

也就是說(shuō)，現(xiàn)在，AI現(xiàn)在不僅能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)單體，還能成功預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)之間的相互作用了。

研究人員興奮地表示：

我們的結(jié)果是結(jié)構(gòu)生物學(xué)新時(shí)代的一個(gè)重大進(jìn)展。

在這個(gè)時(shí)代，計(jì)算將在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中起到根本性的作用。

這項(xiàng)研究來(lái)自德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心和華盛頓大學(xué)領(lǐng)銜的國(guó)際團(tuán)隊(duì)。

論文已經(jīng)發(fā)表在《Science》上。

“結(jié)構(gòu)生物學(xué)新時(shí)代的重大進(jìn)展”

我們知道，蛋白質(zhì)通常以復(fù)合物的形式成對(duì)或成組地發(fā)揮功能，以完成生物體生存所需的種種任務(wù)。

但現(xiàn)今為止，許多真核生物蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)仍然成謎，其中蛋白質(zhì)之間的相互作用也尚未被識(shí)別。

而這篇Science論文完成的主要工作，就是將基于深度學(xué)習(xí)的蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)方法，引入到了蛋白質(zhì)復(fù)合體的研究當(dāng)中。

具體而言，研究人員利用全蛋白質(zhì)組氨基酸協(xié)同進(jìn)化分析和“RoseTTAFold + AlphaFold”的組合，系統(tǒng)地識(shí)別和建立了真核生物核心蛋白質(zhì)復(fù)合物的精確模型。

RoseTTAFold和AlphaFold的作用，都是根據(jù)氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)。

有所不同的是，RoseTTAFold速度更快：采用了3軌注意力機(jī)制，分別關(guān)注蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)；再通過(guò)在三者之間加上多處連接，使整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)學(xué)習(xí)3個(gè)維度層次的信息。

此次的論文還提及，RoseTTAFold團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙軌道模型，雖然準(zhǔn)確率有所損失，但在計(jì)算時(shí)間上要比AlphaFold快100倍。

而通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究人員認(rèn)為，采用雙軌注意力機(jī)制的AlphaFold在預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)復(fù)合體方面會(huì)有更高的準(zhǔn)確率。

因此，在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)：

首先在酵母菌的基因組中尋找以相互關(guān)聯(lián)的方式獲得突變的基因。

然后，利用上述兩種AI技術(shù)確定這些蛋白質(zhì)是否可以組合成3D結(jié)構(gòu)。

研究人員最終從酵母菌里篩選出了830萬(wàn)對(duì)蛋白質(zhì)，并從中識(shí)別出1505種可能的蛋白質(zhì)復(fù)合體。

其中699個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合體的3D結(jié)構(gòu)已經(jīng)在此前的實(shí)驗(yàn)中被解析出來(lái)。

剩下的806個(gè)中，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的預(yù)測(cè)結(jié)果有700個(gè)，另外106種屬于從未被描述過(guò)的全新蛋白質(zhì)復(fù)合體。

這項(xiàng)工作為類(lèi)似的人體蛋白質(zhì)相互作用研究奠定了基礎(chǔ)，最終可能有助于開(kāi)發(fā)治療人類(lèi)疾病的新療法。

華人領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)

這項(xiàng)研究由德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心助理教授叢倩團(tuán)隊(duì)和華盛頓大學(xué)蛋白設(shè)計(jì)研究所教授David Baker團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)表。

論文共同通訊作者叢倩本科畢業(yè)于北京大學(xué)。2017年-2020年在華盛頓大學(xué)David Baker教授門(mén)下任博士后。

她也是RoseTTAFold的作者之一。

論文另一位通訊作者David Baker是美國(guó)生物化學(xué)家和計(jì)算生物學(xué)家，現(xiàn)為華盛頓大學(xué)生物化學(xué)教授、華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)研究所貝克實(shí)驗(yàn)室首席研究員。

正是他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一手打造了和AlphaFold2一起沸騰學(xué)術(shù)圈的RoseTTAFold。

參考鏈接：
[1] 論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm4805
[2] https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211116175100.htm