Science封面重磅：新型AI算法精确预测RNA三维构造

起源：学术头条 2021-09-01 08:37

近日，美国斯坦福年夜学在读博士生 Stephan Eismann 和 Raphael Townshend 在盘算机副传授 Ron Dror 的指导下，应用今朝先进的神经网络技术，胜利开辟出了一种全新 RNA 三维构造预测模子——ARES。与其他传统 AI 算法分歧，ARES 的构造框架并不是针对 RNA 构造设计，而是针对原子构造设计的。通过不时调整参数，ARES 可以深化相识 RNA 上每个原子之间的绝对地位以及几何分列，进而推算出 RNA 最佳三维几何构造，其精确性远超传统办法。该研讨以“Geometric deep learning of RNA structure”为题，颁发在最新一期的 《Science》杂志上。

关于这一研讨成果，Eismann 博士表现，“传统 RNA 三维构造预测模子次要针对 RNA 构造设计，如许设计的算法得出的构造更倾向于 AI 训练时所使用的 RNA 构造，因为今朝人们对 RNA 三维构造相识并不多，是以这类算法并禁绝确。而咱们更倾向于从原子构造动身，让体系本人去寻觅 RNA 的空间构造，是以它能更好地发现咱们此前未知的构造。”

RNA：生物医药的将来

自 1953 年 DNA 双螺旋构造发现至今的几十年来，性命迷信的舞台始终被 DNA 和卵白质占领。DNA 担任遗传信息存储，卵白质担任基因指令执行，而 RNA 不外是中心环节的通报者。恰是基于卵白质畛域的诸多发现，迷信家们胜利制作出了胰岛素、烦扰素以及各类新型抗癌药物等先进的医学结果。同时，通过改革 DNA，迷信家门也在基因疗法医治血友病、学失明以及其他疑问杂症上取得了长足的提高。

然而，人类过来在生物医药畛域的征途中，始终疏忽了 RNA 分子的存在。尽管，迷信家很早就晓得 RNA 参加了简直一切的细胞进程，然则因为 RNA 的构造不如 DNA 稳定，恒久以来 RNA 始终被当做副角，覆盖在 DNA 和卵白质的光辉之下。当然，生物学家当初曾经晓得，人类基因组 85%能转录成 RNA，但年夜部门 RNA 并不会翻译成卵白质，而是领有多种多样功效的调理分子，RNA 不仅通报卵白质合成的信息，也是节制基因活性和调理其他 RNA 功效的紧张因素。

而 RNA 药物的呈现，颠更是覆了传统药物研发的逻辑思绪。从实际上讲，只需晓得致病基因的序列，设计与致病序列互补的 RNA，即可从泉源节制致病卵白的翻译表白，以到达医治疾病的目标。以 RNA 作为靶点，可以极年夜地丰厚了药物靶点的选择，为药物研发带来新的变更。是以，近年来，越来越多的研讨者和贸易个人将眼光投向了 RNA 疗法。RNA 开端作为医治药物引领当初生物医药的海潮，将来无望和抗体、小分子克制剂一样，成为生物医药畛域最闪烁的新星。

解析 RNA 三维构造

序列决议构造，构造决议功效，这是 RNA 和卵白质如许的生物年夜分子的根本法令。这也是为什么迷信家热衷于研讨这些生物分子机械精密构造的深层起因，由于只有晓得告终构能力晓得功效背地的原理。恒久以来，迷信家对 RNA 简单多样的构造并不非常相识。DNA 是能预测的双螺旋构造，RNA 与 DNA 分歧，是单链折叠成的隆起、假结、头样、发夹等多种多样的简单三维轮回构造。知足分歧功效状态的必要，分歧折叠能互相转化。迷信家对 RNA 的上述信息相识十分浮浅，这也是今朝 RNA 功效研讨中最单薄的环节。

近年来，迷信家开端对 RNA 构造研讨提议挑战。Bevilacqua， Weissman 等设计的技术能对细胞内年夜量 RNA 构造进行整体解析，初步研讨成果发现，活细胞内 RNA 折叠方式与人工前提下的完整分歧。

RNA 分子通常有一个线性核苷酸链，但在细胞核内合成后，会通过本身核苷酸配对迅速折叠，然落后一步折叠成简单三维构造，与卵白和其他 RNA 分子产生互相作用时会改动形态。研讨 RNA 构造的年夜部门技术应用核苷酸互相联合的特色，或许序列对某些酶的敏理性。盘算机模拟技术也有助于整体构造的阐发。然则这些办法十分繁琐，一次只能阐发一个分子的一部门。是以，尽管越来越多的证据标明，从到人类功效性 RNA 无处不在，实际上靶向 RNA 可以医治人类任何疾病，然则因为无奈精确得到 RNA 的三维构造，无关 RNA 的和药物拓展始终受阻。

AI 算法解决构造生物学挑战

预测卵白质复合物以及 RNA 三维空间构造是生归天学畛域一项微小的挑战，关于根底迷信和药物研发具备严重的意义。Stephan Eismann 博士等人致力于相关的研讨。以往卵白质复合物以及 RNA 等生物年夜分子构造人工智能预测模子通常会间接应用给定的构造特征来进行训练。然而，在研讨进程中，人们发现，这种应用上述办法开辟出的模子预测成果往往方向于模子训练时喂养构造的特征。是以，即便迷信家尽力试图对模子进行优化，然则预测的精确性照旧非常无限。