NciaNet: A Non-Covalent Interaction-Aware Graph Neural Network for the Prediction of Protein-Ligand Interaction in Drug Discovery

计算机科学 药物发现 药物与药物的相互作用 交互网络 人工神经网络 蛋白质-蛋白质相互作用 蛋白质配体 图形 人工智能 药品 计算生物学 机器学习 化学 理论计算机科学 医学 药理学 生物化学 生物 基因
作者
Guanyu Song,Meifeng Deng,Yunzhi Chen,Shijie Jia,Zhenguo Nie
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-28
标识
DOI:10.1109/jbhi.2025.3547741
摘要

Precise quantification of protein-ligand interaction is critical in early-stage drug discovery. Artificial intelligence (AI) has gained massive popularity in this area, with deep-learning models used to extract features from ligand and protein molecules. However, these models often fail to capture intermolecular non-covalent interactions, the primary factor influencing binding, leading to lower accuracy and interpretability. Moreover, such models overlook the spatial structure of protein-ligand complexes, resulting in weaker generalization. To address these issues, we propose Non-covalent Interaction-aware Graph Neural Network (NciaNet), a novel method that effectively utilizes intermolecular non-covalent interactions and 3D protein-ligand structure. Our approach achieves excellent predictive performance on multiple benchmark datasets and outperforms competitive baseline models in the binding affinity task, with the benchmark core set v.2016 achieving an RMSE of 1.208 and an R of 0.833, and the core set v.2013 achieving an RMSE of 1.409 and an R of 0.805, under the high-quality refined v.2016 training conditions. Importantly, NciaNet successfully learns vital features related to protein-ligand interactions, providing biochemical insights and demonstrating practical utility and reliability. However, despite these strengths, there may still be limitations in generalizability to unseen protein-ligand complexes, suggesting potential avenues for future work.
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