Single-sequence protein structure prediction using a language model and deep learning

蛋白质结构预测 计算机科学 人工智能 蛋白质折叠 蛋白质结构 序列(生物学) 折叠(DSP实现) 卡斯普 可微函数 深度学习 计算生物学 机器学习 生物 数学 工程类 遗传学 生物化学 电气工程 数学分析
作者
Ratul Chowdhury,Nazim Bouatta,Surojit Biswas,Christina Floristean,Anant Kharkar,Koushik Roy,Charlotte Rochereau,Gustaf Ahdritz,Joanna Zhang,George M. Church,Peter K. Sorger,Mohammed AlQuraishi
出处
期刊:Nature Biotechnology [Springer Nature]
卷期号:40 (11): 1617-1623 被引量:250
标识
DOI:10.1038/s41587-022-01432-w
摘要

AlphaFold2 and related computational systems predict protein structure using deep learning and co-evolutionary relationships encoded in multiple sequence alignments (MSAs). Despite high prediction accuracy achieved by these systems, challenges remain in (1) prediction of orphan and rapidly evolving proteins for which an MSA cannot be generated; (2) rapid exploration of designed structures; and (3) understanding the rules governing spontaneous polypeptide folding in solution. Here we report development of an end-to-end differentiable recurrent geometric network (RGN) that uses a protein language model (AminoBERT) to learn latent structural information from unaligned proteins. A linked geometric module compactly represents Cα backbone geometry in a translationally and rotationally invariant way. On average, RGN2 outperforms AlphaFold2 and RoseTTAFold on orphan proteins and classes of designed proteins while achieving up to a 106-fold reduction in compute time. These findings demonstrate the practical and theoretical strengths of protein language models relative to MSAs in structure prediction.
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