Leveraging a large language model to predict protein phase transition: A physical, multiscale, and interpretable approach

计算机科学 蛋白质聚集 相变 相(物质) 口译(哲学) 随机森林 生物系统 人工智能 计算生物学 生物 化学 物理 遗传学 量子力学 有机化学 程序设计语言
作者
Mor Frank,Pengyu Ni,Matthew L. Jensen,Mark Gerstein
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (33) 被引量:2
标识
DOI:10.1073/pnas.2320510121
摘要

Protein phase transitions (PPTs) from the soluble state to a dense liquid phase (forming droplets via liquid–liquid phase separation) or to solid aggregates (such as amyloids) play key roles in pathological processes associated with age-related diseases such as Alzheimer’s disease. Several computational frameworks are capable of separately predicting the formation of droplets or amyloid aggregates based on protein sequences, yet none have tackled the prediction of both within a unified framework. Recently, large language models (LLMs) have exhibited great success in protein structure prediction; however, they have not yet been used for PPTs. Here, we fine-tune a LLM for predicting PPTs and demonstrate its usage in evaluating how sequence variants affect PPTs, an operation useful for protein design. In addition, we show its superior performance compared to suitable classical benchmarks. Due to the “black-box” nature of the LLM, we also employ a classical random forest model along with biophysical features to facilitate interpretation. Finally, focusing on Alzheimer’s disease-related proteins, we demonstrate that greater aggregation is associated with reduced gene expression in Alzheimer’s disease, suggesting a natural defense mechanism.
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