Single-sequence protein structure prediction using supervised transformer protein language models

计算机科学 变压器 人工智能 蛋白质结构预测 序列(生物学) 嵌入 水准点(测量) 算法 机器学习 模式识别(心理学) 蛋白质结构 生物 工程类 生物化学 遗传学 大地测量学 电压 地理 电气工程
作者
Wenkai Wang,Zhenling Peng,Jianyi Yang
标识
DOI:10.1101/2022.01.15.476476
摘要

Abstract It remains challenging for single-sequence protein structure prediction with AlphaFold2 and other deep learning methods. In this work, we introduce trRosettaX-Single, a novel algorithm for singlesequence protein structure prediction. It is built on sequence embedding from s-ESM-1b, a supervised transformer protein language model optimized from the pre-trained model ESM-1b. The sequence embedding is fed into a multi-scale network with knowledge distillation to predict inter-residue 2D geometry, including distance and orientations. The predicted 2D geometry is then used to reconstruct 3D structure models based on energy minimization. Benchmark tests show that trRosettaX-Single outperforms AlphaFold2 and RoseTTAFold on natural proteins. For instance, with single-sequence input, trRosettaX-Single generates structure models with an average TM-score ~0.5 on 77 CASP14 domains, significantly higher than AlphaFold2 (0.35) and RoseTTAFold (0.34). Further test on 101 human-designed proteins indicates that trRosettaX-Single works very well, with accuracy (average TM-score 0.77) approaching AlphaFold2 and higher than RoseTTAFold, but using much less computing resource. On 2000 designed proteins from network hallucination, trRosettaX-Single generates structure models highly consistent to the hallucinated ones. These data suggest that trRosettaX-Single may find immediate applications in de novo protein design and related studies. trRosettaX-Single is available through the trRosetta server at: http://yanglab.nankai.edu.cn/trRosetta/ .
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