Persistent spectral hypergraph based machine learning (PSH-ML) for protein-ligand binding affinity prediction

超图 数量结构-活动关系 分子描述符 人工智能 计算机科学 梯度升压 随机森林 机器学习 代表(政治) 数学 政治学 政治 离散数学 法学
作者
Xiang Liu,Huitao Feng,Jie Wu,Kelin Xia
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:22 (5) 被引量:21
标识
DOI:10.1093/bib/bbab127
摘要

Molecular descriptors are essential to not only quantitative structure activity/property relationship (QSAR/QSPR) models, but also machine learning based chemical and biological data analysis. In this paper, we propose persistent spectral hypergraph (PSH) based molecular descriptors or fingerprints for the first time. Our PSH-based molecular descriptors are used in the characterization of molecular structures and interactions, and further combined with machine learning models, in particular gradient boosting tree (GBT), for protein-ligand binding affinity prediction. Different from traditional molecular descriptors, which are usually based on molecular graph models, a hypergraph-based topological representation is proposed for protein-ligand interaction characterization. Moreover, a filtration process is introduced to generate a series of nested hypergraphs in different scales. For each of these hypergraphs, its eigen spectrum information can be obtained from the corresponding (Hodge) Laplacain matrix. PSH studies the persistence and variation of the eigen spectrum of the nested hypergraphs during the filtration process. Molecular descriptors or fingerprints can be generated from persistent attributes, which are statistical or combinatorial functions of PSH, and combined with machine learning models, in particular, GBT. We test our PSH-GBT model on three most commonly used datasets, including PDBbind-2007, PDBbind-2013 and PDBbind-2016. Our results, for all these databases, are better than all existing machine learning models with traditional molecular descriptors, as far as we know.
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