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专利号: 2020107041309
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于深度残差神经网络的蛋白质残基接触预测方法,其特征在于:所述残基接触预测方法包括以下步骤:

1)构建数据集:从蛋白质数据库PDB中选择序列相似度低于20%、序列长度在40‑500之间的4000个氨基酸序列,从中随机选择300个序列作为测试集,剩余的序列作为训练集;

2)氨基酸序列进化信息分析,操作如下:

2.1)利用HHsuite软件包中的HHblits在UniRef30序列数据库中搜索数据集中每条序列的多序列比对文件;

2.2)基于生成的多序列比对文件,计算多序列比对文件中第i号残基为A类型氨基酸的概率fi(A),其中A∈{A,C,D,E,F,G,H,I,K,L,M,N,Q,R,S,T,V,W,Y,‑},i∈{1,2,...,L},L为多序列比对文件中单条序列的长度,fi(A)计算公式如下:其中M表示多序列比对文件中序列的条数,m表示当前序列是多序列比对文件中的第几条,m∈{1,2,...,M}, 表示多序列比对中第m行第i列残基的类型, 表示 和A是否相等,相等则为1,不等则为0;

2.3)计算多序列比对文件中第i号残基为A,且第j号残基为B的概率fij(A,B),其中A和B均∈{A,C,D,E,F,G,H,I,K,L,M,N,Q,R,S,T,V,W,Y,‑},其中i和j均∈{1,2,....,L},L为多序列比对文件中单条序列的长度,fij(A,B)计算公式如下:其中M表示多序列比对文件中序列的条数,m表示当前序列是多序列比对文件中的第几条,m∈{1,2,...,M}, 表示多序列比对中第m行第i列中的残基类型; 表示多序列比对中第m行第j列残基的类型; 表示 和A是否相等,相等则为1,不等则为0;

表示 和B是否相等,相等则为1,不等则为0;

2.4)根据步骤2.2)和2.3)中得到的fi(A)和fij(A,B)计算香农熵Si,i表示多序列比对文件中的第i列,i∈{1,2,...,L},L为多序列比对文件中单条序列的长度,Si计算公式如下:其中A∈{A,C,D,E,F,G,H,I,K,L,M,N,Q,R,S,T,V,W,Y,‑};

3)构建神经网络输入特征及标签文件,过程如下:

3.1)计算协方差矩阵Q,协方差矩阵的每个特征计算公式如下:其中 表示第i号残基为A、第j号残基为B情况下的协方差,其中i和j均∈{1,2,...,L};

3.2)构建输入特征集:由fi(A)公式生成的序列谱特征的维度为L*21维,L为多序列比对文件中单条序列的长度,由Si公式生成的香农熵特征的维度为L*1维,通过条带化的方式将序列谱特征的维度转换为L*L*42维,将香农熵特征的维度转换为L*L*2维,然后和协方差矩阵的L*L*441维特征一起组成L*L*485维输入特征;

3.3)建立数据集样本标签:在PDB数据库中搜索每一个训练蛋白的结构文件,并计算每个结构内部两两残基间的欧式距离,以 为阈值判断残基对是否接触,当距离小于 表明该残基对接触,接触图相应位置置1,否则表明该残基对不接触,接触图相应位置置0;

4)神经网络训练:本发明采用的是残差网络,采用二进制交叉熵函数作为损失函数;采用He initialization初始化网络权重,He initialization是网络权重初始化方法;开发平台采用Pytorch,学习率设置为0.001,批处理大小为7个训练样本为一个批次;训练过程使用马修斯相关系数作为评价指标,记录马修斯相关系数的最大值,如果记录了最大值之后,连续10代的最大值都保持不变,则停止训练;

5)预测测试集序列接触图,利用HHsuite软件包中的HHblits在UniRef30序列数据库中搜索测试序列的多序列比对文件,然后根据3.1)中序列特征生成步骤生成测试序列的序列特征,输入到神经网络中进行预测,最终生成一个contact文件,contact文件中包含神经网络生成的接触信息,然后根据contact文件中的置信度进行排序,用于辅助蛋白质结构预测。