Predicting 3D RNA structure from the nucleotide sequence using Euclidean neural networks

核糖核酸 计算生物学 核酸结构 分子动力学 核苷酸 核酸二级结构 生物系统 算法 序列(生物学) 串联(数学) 灵活性(工程) 卷积神经网络 计算机科学 生物 化学 人工智能 遗传学 数学 基因 计算化学 组合数学 统计
作者
Congzhou M. Sha,Jian Wang,Nikolay V. Dokholyan
出处
期刊:Biophysical Journal [Elsevier BV]
被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.bpj.2023.10.011
摘要

Fast and accurate 3D RNA structure prediction remains a major challenge in structural biology, mostly due to the size and flexibility of RNA molecules, as well as the lack of diverse experimentally determined structures of RNA molecules. Unlike DNA structure, RNA structure is far less constrained by basepair hydrogen bonding, resulting in an explosion of potential stable states. Here, we propose a convolutional neural network that predicts all pairwise distances between residues in an RNA, using a recently described smooth parametrization of Euclidean distance matrices. We achieve high-accuracy predictions on RNAs up to 100 nt in length in fractions of a second, a factor of 107 faster than existing molecular dynamics-based methods. We also convert our coarse-grained machine learning output into an all-atom model using discrete molecular dynamics with constraints. Our proposed computational pipeline predicts all-atom RNA models solely from the nucleotide sequence. However, this method suffers from the same limitation as nucleic acid molecular dynamics: the scarcity of available RNA crystal structures for training.
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