论文笔记：Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold (AlphaFold 2 & appendix)

Posted 2022-08-03 UQI-LIUWJ

注：这篇Nature的论文，如果光看正文，没法理解，需要结合它的补充材料一起看

同时这篇文章看得太吃力了QAQ，如果有说的不对的地方欢迎指正

0 前言

• 蛋白质结构预测：给定某一个蛋白质的一串氨基酸序列，猜测这个蛋白质的3D结构是什么样子的
• 现在的生物学可能需要很长的时间来具体了解一个蛋白质的结构
  • 让蛋白质动起来，从不同的角度用显微镜来看它的结构
• 这篇论文提出了AlphaFold 2
  • 前作AlphaFold 1精度不够
  • AlphaFold 2的精度可以到达原子级别
    • 实验室测得的（真实）位置和预测的位置之间的差距在原子大小的级别以内
  • 模型使用了一定的生物学和物理学的知识，融合在深度学习里面

1 模型部分

1.1 整体模型

        Transformer部分（也就是这里的encoder）只起到不同元素（氨基酸）之间信息整合的作用，真正信息的提炼部分，是在decoder部分实现的

 我对于回收机制的想法：

这个机制有一点类似RNN中把hidden state再传给下一轮的RNN。通过不断地利用上一轮学到的输出，来获得更好的输出结果（每一轮的输出可能精度有限，通过不断迭代获得更好的效果）

区别在于，这里只重用结构，但是不回传梯度。（就是说传回去的几个输出是detach了的输出）

——>和RNN重用结构相比，虽然计算时间上没有区别，但是内存上是有区别的（RNN的话，“回传”的hidden state的梯度也是需要记录在内存中的，但是这边回传的输出是不用记录梯度的）

1.2 “encoder”部分

1.2.1 整体模型 

 

1.2.2 row-wise gated self-attention with pair bias

 1.2.3 column-wise gated self-attention

大体流程和1.2.2 类似，区别在于，这里是按列来进行self-attention（同一个位置的氨基酸在不同蛋白质之中的权重）

 1.2.4 MSA transition

（两个transition是一样的）

这个就是一个MLP 

 

1.2.5 Outer product mean

 

 1.2.6 Triangular multiplicative update

 

 类似的，只是变成出边

 

 注意：由于出边入边模块的先后问题，所以得到的矩阵不一定对称。

1.2.7 Triangular self-attention

上图是之前的按行attention，下图是这里的attention，可以看到是很类似的

伪代码部分也基本一样，不过这里论文的意思是第五行（attention加权的部分）使用了一定的三角性质

 

 1.3 “decoder”部分

1.3.0 如何预测？

• 表达蛋白质3D结构最简单的方法是记录每个元素的3D坐标。
  • 蛋白质进行旋转/平移是不影响蛋白质结构的，但是如果用3D坐标的话，绝对位置会发生变化
  • ——>所以这里使用的是相对位置

•  蛋白质可以想成主干+支链
• 主干点我们记为x，那么链上面任意一个点/主干的后一个点可以看成y=Rt+x
  • 根据3*3的矩阵R做旋转
  • 根据x做平移

1.3.1 整体模型

 

1.3.2 IPA Invariant point attention

 1.3.3 Backbone update

更新骨干各点的s和T

 

实验效果

.1 和其他项目的对比

•  每一列是一个模型（参赛队伍）
• 每一条柱状图是对应的模型，平均预测位置和真实位置的区别（单位是，即米，也即原子的大小）
• 可以看到AlphaFold 2的精度已经达到了原子精度，这是一个里程碑意义的精度

2 AlphaFold 预测的精度

• 蓝色的是AlphaFold 预测的结果
• 绿色的是实验室预测出来的结果
• 可以看到他们的误差确实在一个原子的大小（黑色球体）以内