Composed of amino acid chains that influence how they fold and thus dictating their function and features, proteins are a class of macromolecules that play a central role in major biological processes and are required for the structure, function, and regulation of the body's tissues. Understanding protein functions is vital to the development of therapeutics and precision medicine, and hence the ability to classify proteins and their functions based on measurable features is crucial; indeed, the automatic inference of a protein's properties from its sequence of amino acids, known as its primary structure, remains an important open problem within the field of bioinformatics, especially given the recent advancements in sequencing technologies and the extensive number of known but uncategorized proteins with unknown properties. In this work, we demonstrate and compare the performance of several deep learning frameworks, including novel bi-directional LSTM and convolutional models, on widely available sequencing data from the Protein Data Bank (PDB) of the Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB), as well as benchmark this performance against classical machine learning approaches, including k-nearest neighbors and multinomial regression classifiers, trained on experimental data. Our results show that our deep learning models deliver superior performance to classical machine learning methods, with the convolutional architecture providing the most impressive inference performance.


翻译:蛋白质由氨基酸链组成,影响蛋白质如何折叠,从而决定其功能和特性,蛋白质是一组大型分子,在主要生物过程中发挥中心作用,是组织结构、功能和调节人体组织所必需的。了解蛋白质功能对于研制治疗和精密医学至关重要,因此,根据可测量特征对蛋白质及其功能进行分类的能力至关重要;事实上,蛋白质特性从其氨基酸序列中自动推断为其主要结构的蛋白质,仍然是生物信息学领域的一个重要开放问题,特别是考虑到最近在测序技术方面的进展,以及大量已知但未分解的蛋白质具有未知特性。在这项工作中,我们展示并比较了几个深层学习框架的绩效,包括新型双向双向LSTM和进化模型,这是从结构生物信息学研究协作库(RCSB)广泛获得的测序数据,它仍然是生物信息学领域的一个重要问题,也是将这一业绩与古典机器学习方法相比的基准,其中包括我们经过培训的深层次历史模型,展示了我们最深层次的模型,展示了我们最深层的模型的模型学习结果。

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