T-Cell Receptor Optimization with Reinforcement Learning and Mutation Polices for Precision Immunotherapy

T细胞受体 强化学习 T细胞 免疫疗法 突变 人工智能 计算机科学 计算生物学 生物 组合数学 物理 算法 免疫系统 基因 数学 遗传学
作者
Ziqi Chen,Martin Renqiang Min,Hongyu Guo,Chao Cheng,Trevor Clancy,Xia Ning
出处
期刊:Lecture Notes in Computer Science 卷期号:: 174-191 被引量:2
标识
DOI:10.1007/978-3-031-29119-7_11
摘要

T cells monitor the health status of cells by identifying foreign peptides displayed on their surface. T-cell receptors (TCRs), which are protein complexes found on the surface of T cells, are able to bind to these peptides. This process is known as TCR recognition and constitutes a key step for immune response. Optimizing TCR sequences for TCR recognition represents a fundamental step towards the development of personalized treatments to trigger immune responses killing cancerous or virus-infected cells. In this paper, we formulated the search for these optimized TCRs as a reinforcement learning ( $$\mathop {\texttt{RL}}\limits $$ ) problem, and presented a framework $$\mathop {\texttt{TCRPPO}}\limits $$ with a mutation policy using proximal policy optimization. $$\mathop {\texttt{TCRPPO}}\limits $$ mutates TCRs into effective ones that can recognize given peptides. $$\mathop {\texttt{TCRPPO}}\limits $$ leverages a reward function that combines the likelihoods of mutated sequences being valid TCRs measured by a new scoring function based on deep autoencoders, with the probabilities of mutated sequences recognizing peptides from a peptide-TCR interaction predictor. We compared $$\mathop {\texttt{TCRPPO}}\limits $$ with multiple baseline methods and demonstrated that $$\mathop {\texttt{TCRPPO}}\limits $$ significantly outperforms all the baseline methods to generate positive binding and valid TCRs. These results demonstrate the potential of $$\mathop {\texttt{TCRPPO}}\limits $$ for both precision immunotherapy and peptide-recognizing TCR motif discovery.

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