SCREEN: A Graph-based Contrastive Learning Tool to Infer Catalytic Residues and Assess Enzyme Mutations

计算生物学 计算机科学 图形 蛋白质功能 功能(生物学) 人工智能 机器学习 生物 生物化学 遗传学 理论计算机科学 基因
作者
Tong Pan,Yue Bi,Xiaoyu Wang,Ying Zhang,Geoffrey I. Webb,Robin B. Gasser,Lukasz Kurgan,Jiangning Song
出处
期刊:Genomics, Proteomics & Bioinformatics [Elsevier]
标识
DOI:10.1093/gpbjnl/qzae094
摘要

Abstract The accurate identification of catalytic residues contributes to our understanding of enzyme functions in biological processes and pathways. The increasing number of protein sequences necessitates computational tools for the automated prediction of catalytic residues in enzymes. Here, we introduce SCREEN, a graph neural network for the high-throughput prediction of catalytic residues via the integration of enzyme functional and structural information. SCREEN constructs residue representations based on spatial arrangements and incorporates enzyme function priors into such representations through contrastive learning. We demonstrate that SCREEN (i) consistently outperforms currently-available predictors; (ii) provides accurate results when applied to inferred enzyme structures; and (iii) generalizes well to enzymes dissimilar from those in the training set. We also show that the putative catalytic residues predicted by SCREEN mimic key structural and biophysical characteristics of native catalytic residues. Moreover, using experimental data sets, we show that SCREEN’s predictions can be used to distinguish residues with a high mutation tolerance from those likely to cause functional loss when mutated, indicating that this tool might be used to infer disease-associated mutations. SCREEN is publicly available at https://github.com/BioColLab/SCREEN and https://ngdc.cncb.ac.cn/biocode/tool/7580.
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