单模型斩获「蛋白质突变预测」榜一!西湖大学提出基于结构词表方法 | ICLR 2024 Spotlight
偷偷努力,悄无声息地变强,然后惊艳所有人!哈哈,小伙伴们又来学习啦~今天我将给大家介绍《单模型斩获「蛋白质突变预测」榜一!西湖大学提出基于结构词表方法 | ICLR 2024 Spotlight》,这篇文章主要会讲到等等知识点,不知道大家对其都有多少了解,下面我们就一起来看一吧!当然,非常希望大家能多多评论,给出合理的建议,我们一起学习,一起进步!
蛋白质结构相比于序列往往被认为更加具有信息量,因为其直接决定了蛋白质的功能。
随着AlphaFold2的引入,巨大突破的预测结构被发布出来供人研究使用。如何利用这些蛋白质结构来训练强大且通用的表征模型是一个值得研究的方向。
西湖大学的研究人员利用Foldseek来处理蛋白质结构,将其编码成一维的离散token,并与传统的氨基酸进行结合,形成了结构感知词表(Structure-aware Vocabulary),以此将结构信息嵌入到模型输入中,增强模型的表征能力。

论文地址:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.01.560349v4
Github地址:https://github.com/westlake-repl/SaProt
在预训练上,本文使用了目前最多的蛋白质结构(大约4000万),其中64张A100上训练了3个月,最终开源了具有650M参数量的模型SaProt(同时包括35M的版本)。实验结果表明,SaProt各种蛋白质任务上都要好于之前的序列和结构模型。
ProteinGym:https://proteingym.org/benchmarks

方法
该研究利用Foldseek对蛋白质进行编码,生成了一维的3Di结构序列(使用了Foldseek的结构词表,每种3Di token代表不同的局部结构),这样的结构序列与氨基酸序列是等长的。这种编码方法可以捕捉到蛋白质的三维结构信息。

因此研究人员使用了一种简单而有效的结构嵌入方式:将结构词表和氨基酸词表计算笛卡尔积(即两两组合),形成新的结构感知词表。
这样对于蛋白质的每个位点,其氨基酸类型和对应的局部结构都能组合成新词表中的某个元素,从而让模型同时考虑到蛋白质的序列与结构信息。
本文使用Bert架构进行掩码语言建模(Masked Language Modeling )预训练(关于训练的更多细节请参考原论文)。

结构感知词表
实验
方法对比
一个可能令人疑惑的问题就是为什么需要这样编码结构?论文展示了使用不同的结构编码方式进行预训练的结果图:

不同结构模型训练的loss曲线图
图左和图中是两种经典的蛋白质结构建模方式,即将结构信息编码成bias后添加到transformer的attention map中(如Evoformer,Uni-Mol),或者使用图神经网络的方式建模蛋白质的空间关系(如MIF,GearNet等)。
然而从loss图中可以发现,当上述两种建模方式在AF2结构上使用MLM的训练目标进行预训练时,模型会非常迅速地过拟合(表现为在AF2预测结构上预测loss非常低,但在PDB真实结构上loss停滞甚至上升)。
作者推测这是由于AF2预测出来的蛋白质结构带有一些隐藏的模式(patterns),由于前两种方式是直接对蛋白质的三维坐标进行建模,这些隐藏的pattern可能很轻易地就被模型识别出来,从而造成了信息泄露的问题,让模型无需真正学习到蛋白质的进化信息就能轻松地完成训练目标。
而结构感知词表通过将蛋白质结构编码成一维的结构序列,在尽可能保留结构模式的情况下忽略了精细的坐标数值,因此模型能够有效地利用结构信息而不受到隐藏pattern的影响。
Zero-shot测试
作者在蛋白质突变数据集(ProteinGym)上和真实人类临床疾病数据集(ClinVar)上测试了SaProt的zero-shot能力,结果如下:

Zero-shot实验结果
SaProt在两个数据集上都超越了以往的所有结构和序列模型,证明了其在zero-shot预测突变上具备优异的能力。
监督微调测试
本文还涵盖了各种下游任务来测试模型表现,结果如下:

下游任务fine-tune结果
SaProt在各个下游任务上都超越了以往的序列和结构模型,展示出了其强大且通用的表征能力。
结构信息测试
SaProt在4000万的蛋白质结构上进行训练,获得了强大的表征能力。一个可能的疑问是如何确定SaProt学到了更多的结构信息而不是模型被训练得更好?论文对SaProt和ESM-2在残基接触预测任务(Contact Prediction Task)上进行了测试。作者冻住了模型的backbone,只训练一个线性分类层。
实验结果如下:

Contact Prediction Task的结果
从结果可以看到,由于结构token的嵌入,SaProt的表现大大超越了ESM-2,这表明SaProt蕴含了非常丰富的结构信息,使其能够在结构预测任务上获得十分优异的结果。
同时,论文在SCOPe数据库上对alpha蛋白质和beta蛋白质进行了可视化,结果如下:

在SCOPe数据库上的Embedding可视化
SaProt的可视化结果非常清晰地将alpha蛋白质和beta蛋白质区分开来,而ESM-2的可视化结果却将两种蛋白质混杂在一起,这说明了SaProt对结构的变化有很强的感知能力。

不同结构预测方法的比较
除了AF2,目前还存在许多其他的单序列结构预测方法(如ESMFold),因此本文额外测试了其他方法预测出来的结构对SaProt性能的作用。
结果如下:

不同结构预测方法的fine-tune结果
从测试结果可以看出,虽然SaProt在AF2结构上的表现非常好(模型本身也是基于AF2结构进行训练的),但其他的结构预测方法也能让SaProt与ESM-2等模型性能相当。
这意味着考虑到计算与时间成本,单序列结构预测模型也能作为替代方法输入到SaProt中。
局限
虽然SaProt经过训练展示出了优异的性能,但依然还有一些可以改进的地方,例如:
1. Foldseek默认的结构词表大小只有20,如果有更加精准的结构编码模型,扩大结构表征的词表大小,是不是能进一步提升模型利用结构的能力?
2. 由于计算能力的限制,SaProt只在650M上完成了训练。如果能够继续扩大模型规模,是否可以进一步地提升模型表现?
3. 论文虽然已经测试了很多的蛋白质任务,但还有一些其他任务可以应用探索,例如蛋白质序列设计(给定backbone预测氨基酸序列)等。
以上就是本文的全部内容了,是否有顺利帮助你解决问题?若是能给你带来学习上的帮助,请大家多多支持golang学习网!更多关于科技周边的相关知识,也可关注golang学习网公众号。
通透!如何选择合适的机器学习算法
- 上一篇
- 通透!如何选择合适的机器学习算法
- 下一篇
- 综述!全面概括基础模型对于推动自动驾驶的重要作用
-
- 前端进阶之JavaScript设计模式
- 设计模式是开发人员在软件开发过程中面临一般问题时的解决方案,代表了最佳的实践。本课程的主打内容包括JS常见设计模式以及具体应用场景,打造一站式知识长龙服务,适合有JS基础的同学学习。
- 543次学习
-
- GO语言核心编程课程
- 本课程采用真实案例,全面具体可落地,从理论到实践,一步一步将GO核心编程技术、编程思想、底层实现融会贯通,使学习者贴近时代脉搏,做IT互联网时代的弄潮儿。
- 516次学习
-
- 简单聊聊mysql8与网络通信
- 如有问题加微信:Le-studyg;在课程中,我们将首先介绍MySQL8的新特性,包括性能优化、安全增强、新数据类型等,帮助学生快速熟悉MySQL8的最新功能。接着,我们将深入解析MySQL的网络通信机制,包括协议、连接管理、数据传输等,让
- 500次学习
-
- JavaScript正则表达式基础与实战
- 在任何一门编程语言中,正则表达式,都是一项重要的知识,它提供了高效的字符串匹配与捕获机制,可以极大的简化程序设计。
- 487次学习
-
- 从零制作响应式网站—Grid布局
- 本系列教程将展示从零制作一个假想的网络科技公司官网,分为导航,轮播,关于我们,成功案例,服务流程,团队介绍,数据部分,公司动态,底部信息等内容区块。网站整体采用CSSGrid布局,支持响应式,有流畅过渡和展现动画。
- 485次学习
-
- ljg-skills
- ljg-skills 是李继刚开源的 AI 技能与提示词集合,面向大模型使用者整理了一批可复用的 prompt、角色设定和任务技能模板,适合用于学习提示词设计、搭建个人 AI 工作流和沉淀团队常用智能体能力。
- 2313次使用
-
- MELO音乐
- MELO音乐是一站式AI视频与音乐制作助手,对标suno, udio的高品质体验。提供伴奏生成、原创写词、无损导出、哼唱识曲、混音变声等全套音频与短视频编辑工具。无论是流行Kpop、电音说唱、民谣古风、摇滚儿歌还是商用轻音乐,MELO为你免费谱曲,轻松做同款!
- 2120次使用
-
- UniScribe
- UniScribe 是一款 AI 音视频转文字与内容整理工具,支持上传音频、视频文件或粘贴 YouTube 链接,自动生成转写文本、摘要、思维导图和关键问题,并支持多格式导出,适合会议记录、课程学习、访谈整理和内容创作复盘。
- 2071次使用
-
- 剧云
- 剧云是专业中文剧本创作平台,安全稳定运行十余年,集成AI编剧、剧本医生审核、人物小传、剧情关系图、大纲编写、多人协作、Word导入导出、版权管控功能,数据安全防护,轻松高效创作剧本。
- 2276次使用
-
- 万象有声
- 万象有声,一个专为有声创作者打造的新一代智能有声内容创作平台。平台提供专业的智能拆章、智能画本编辑、AI配音、AI生成音效、后期制作、智能对轨、智能审听等有声创作全流程工具,可以帮助创作者高效、低成本创作出引人入胜的有声作品。立即体验,让有声书制作更简单!
- 2246次使用
-
- AI写作工具免费版安装教程(含豆包Clawdbot)
- 2026-05-30 501浏览
-
- WPS AI能自动生成PPT吗?输入主题一键制作演示文稿
- 2026-05-27 501浏览
-
- Canva手机闪退解决方法及适配指南
- 2026-05-25 501浏览
-
- Hermes Agent依赖的工具链有哪些 必备工具链介绍
- 2026-05-05 501浏览
-
- 千问AI官网地址链接入口_千问AI官方网站登陆入口
- 2026-05-05 501浏览

