当前位置:

首页 > 业界资讯 > 多伦多大学团队利用AI框架重新设计蛋白质,以规避免疫反应并提升基因治疗效果

多伦多大学团队利用AI框架重新设计蛋白质,以规避免疫反应并提升基因治疗效果

编辑|萝卜皮当下,蛋白质设计深度生成模型的快速进展主要集中在具有大量数据的小蛋白质上。这些模型在天然序列有限的大蛋白上表现不佳,例如腺病毒和腺相关病毒的衣壳蛋白,它们是基因治疗的常见递送载体。生成合成病毒载体血清型可以克服大多数基因治疗接受者表现出的强大的预先存在的免疫反应。多伦多大学的研究人员开发了一种新型变异自动编码器(ProteinVAE),能够生成合成病毒载体血清型,而无需先有中和抗体的表位。他们在编码器中整合了预先训练的蛋白质语言模型,以提高数据效率,并采用基于反卷积的上采样技术进行解码,以避免

制药新工具、有望规避免疫反应,多伦多大学团队用AI框架重新设计参与基因治疗的关键蛋白质

编辑 | 萝卜皮

当下,蛋白质设计深度生成模型的快速进展主要集中在具有大量数据的小蛋白质上。这些模型在天然序列有限的大蛋白上表现不佳,例如腺病毒和腺相关病毒的衣壳蛋白,它们是基因治疗的常见递送载体。生成合成病毒载体血清型可以克服大多数基因治疗接受者表现出的强大的预先存在的免疫反应。

多伦多大学的研究人员开发了一种新型变异自动编码器(ProteinVAE),能够生成合成病毒载体血清型,而无需先有中和抗体的表位。他们在编码器中整合了预先训练的蛋白质语言模型,以提高数据效率,并采用基于反卷积的上采样技术进行解码,以避免在生成长蛋白质序列时出现的简并重复问题。

ProteinVAE 是一个紧凑的生成模型,只有 1240 万个参数,并且经过有效的训练。它生成的病毒蛋白序列具有热力学稳定性和病毒组装能力,与天然载体对应的蛋白无法区分。

该模型可以生成多种合成血清型序列,无需事先考虑人群中的中和抗体表位,有效应对基因治疗的主要挑战之一。它可广泛用于生成多种病毒载体和有治疗价值的大型蛋白质,即使只有少量数据可用。

该研究以「Variational autoencoder for design of synthetic viral vector serotypes」为题,于 2024 年 1 月 23 日发布在《Nature Machine Intelligence》。

制药新工具、有望规避免疫反应,多伦多大学团队用AI框架重新设计参与基因治疗的关键蛋白质

「基因疗法有着巨大的前景,但人体预先存在的对病毒载体的免疫反应极大地阻碍了其应用。我们的研究集中在六邻体上,这是腺病毒载体中的一种基本蛋白质,如果不考虑免疫问题,六邻体在基因治疗方面具有巨大的潜力。」多伦多大学应用科学与工程学院生物医学工程研究所助理教授 Michael Garton 说,「血清型特异性抗体引发的免疫反应对这些载体到达正确的目标构成了重大障碍;这可能导致功效降低和严重的副作用。」

为了解决这个问题,Garton 的实验室使用人工智能来定制设计与自然序列不同的六邻体变体。

该研究的主要作者、博士生 Suyue Lyu 表示:「我们希望设计出一种与所有人类变异都相距甚远的东西,并且推而广之,免疫系统无法识别。」

科学家假设机器学习可用于生成显著不同的六邻体蛋白,而不影响蛋白质折叠、颗粒组装或细胞转导功能。在最新的研究中,Garton 实验室的研究人员提出了一种生成模型,能够设计从未被动物或人类免疫系统监测过的合成 AdV 载体血清型,因此预计可以避免预先存在的 AdV 免疫。

近期,科学家开发了用于从头蛋白质设计的深度学习模型。然而,这些模型是在更大的数据集上进行训练的。例如,ProteinGAN 是第一个专为蛋白质序列生成而设计的生成对抗网络 (GAN) 模型,包含 6000 万个可训练参数,并针对 16,706 个独特的苹果酸脱氢酶序列进行了训练。

目前已知的人类腺病毒仅有 88 种血清型,可用的独特六邻体序列的数量仅限于 711 个独特的全长序列(UniprotKB 数据库)。由于可用训练数据有限,参数较多的模型容易出现过拟合,较小的模型可能更合适。六邻体序列平均长度为 938 个氨基酸,表明在较长距离上残基间依赖性的可能性很高。

之前的工作还没有报道过生成类似长度的序列。这与小数据集相结合,需要开发一个可以有效训练的小型但富有表现力的模型。为了解决这个问题,使用了用于氨基酸级嵌入的预训练蛋白质语言模型,允许在大型蛋白质数据库上转移预训练模型学到的知识。

使用变分自动编码器(VAE)框架来获得信息丰富且结构化的潜在空间,从而将离散的蛋白质序列空间转换为连续的空间,以便于采样和操作。编码器中使用了特殊的瓶颈注意模块,将由预训练模型生成的高质量氨基酸级嵌入映射到潜在空间。基于非自回归反卷积的解码器被设计用于从潜在变量重建序列。

制药新工具、有望规避免疫反应,多伦多大学团队用AI框架重新设计参与基因治疗的关键蛋白质

图示:ProteinVAE 结构。(来源:论文)

这个模型,Lyu 和 Garton 称它为 ProteinVAE,只需 1240 万个参数就能生成高质量、结构稳定的六邻体序列。中和抗体可及的六邻体表面与天然六邻体的不同之处在于,它们可以被归类为新的血清型,研究人员认为它们可以避免人体预先存在的免疫力。

制药新工具、有望规避免疫反应,多伦多大学团队用AI框架重新设计参与基因治疗的关键蛋白质

图示:与天然六邻体比较序列和结构特征。(来源:论文)

虽然设计紧凑,ProteinVAE 仍表现出与更大的可用模型相当的生成能力。

「我们的模型利用预先训练的蛋白质语言模型,在小型数据集上进行高效学习。我们还结合了许多定制的工程方法,使模型适合生成长蛋白质。」Lyu 说,并补充说 ProteinVAE 被有意设计为轻量级。

Lyu 表示:「与其他需要大量计算资源来设计长蛋白质的较大模型不同,ProteinVAE 支持在任何标准 GPU 上进行快速训练和推理。此功能可以使模型对其他学术实验室更加友好。我们的人工智能模型经过分子模拟验证,证明能够改变很大一部分蛋白质表面,从而有可能逃避免疫反应。」

Lyu 解释说,下一步是在湿实验室中进行实验测试。

Garton 认为,人工智能模型的用途可以超越基因治疗蛋白质设计,并且还可能扩展到支持其他疾病病例的蛋白质设计。

「这项工作表明,我们有可能利用生成人工智能设计新的亚种甚至物种的生物实体。」他说,「这些实体具有可用于新型医学治疗的治疗价值。」

论文链接:https://www.nature.com/articles/s42256-023-00787-2

相关报道:https://phys.org/news/2024-01-ai-proteins-gene-therapy.html

本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
业界资讯
相关文章 更多
华为鸿蒙电脑亮相,重构产业新格局
华为鸿蒙电脑亮相,重构产业新格局

华为鸿蒙电脑技术与生态沟通会隆重举行,首款鸿蒙电脑惊艳登场,这一标志性事件预示着华为在电脑领域迈出了具有深远影响的关键一步,为国产电脑产业带来了全新的革新与发展契机。鸿蒙电脑的推出并非一朝一夕之功,而是华为经过五年精心策划的结果。在此期间,华为汇聚了超过10000名顶尖工程师,与20多家专业研究所紧密合作,投入大量的精力与资源进行技术研发,最终积累了超过2700项核心专利,彰显了其强大的技术实力与创新能力。新推出的HarmonyOS5采用鸿蒙内核,从操作系统底层开始重构,旨在为用户提供全面升级的办公体验

Siri等明年!苹果WWDC25给AI交底:画小饼,继续熬
Siri等明年!苹果WWDC25给AI交底:画小饼,继续熬

不求速胜,熬吧。

比特现金未来:可扩展性与支付潜力
比特现金未来:可扩展性与支付潜力

比特现金(BCH)的未来发展前景看好。凭借其可扩展性、支付采用、价值存储、智能合约和坚实的社区支持,比特现金有望在多个领域取得显著发展,成为一种多功能且广泛使用的加密货币。

ACH总量10亿,价值与用途详解
ACH总量10亿,价值与用途详解

ACH 总共发行了 10 亿枚,用于支付网关费用、治理投票和质押奖励。ACH 基于 BEP-20 标准,采用 PoS 机制,可通过私募、公募和生态系统分配获取,其价值受服务需求、实用性和市场趋势影响,可在币安、火币等交易所购买。

Coinbase Pro设置指南:下载、登录与自定义
Coinbase Pro设置指南:下载、登录与自定义

Coinbase Pro 设置步骤:下载并安装软件后,打开并登录,点击右上角齿轮图标进入“首选项”。在首选项中,你可以调整界面、安全、通知、交易和API设置,完成后点击“保存”按钮确认更改。

IoTeX等基础设施如何赋能IoT生态
IoTeX等基础设施如何赋能IoT生态

IoTeX、DePHY和peaq是构建物联网生态系统的关键基础设施。IoTeX提供去中心化网络,确保物联网交易和数据的安全性。DePHY利用区块链技术实现频谱共享和自治管理。peaq促进设备间的数据标准化和共享。通过这些基础设施的协同作用,物联网生态系统实现了去中心化、安全、互操作性和自治,充分释放了物联网的潜力。

DOGE发行价多少
DOGE发行价多少

波场etf代码
波场etf代码

TRX浏览器查询地址
TRX浏览器查询地址

ChainLink跑路了吗
ChainLink跑路了吗

查看更多
精品专题 更多
装机必备
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows
Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件
macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

Mac软件 更多
灵活计算器
灵活计算器
macOS/iOS/Android

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师
macOS

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

WINDOWS 更多
Windows 10
Windows 10
Windows

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘
Windows/macOS/iOS/Android

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。