Accurate protein function prediction via graph attention networks with predicted structure information

计算机科学 蛋白质功能预测 信息结构 注意力网络 图形 蛋白质结构预测 人工智能 功能(生物学) 网络结构 蛋白质功能 蛋白质结构 机器学习 理论计算机科学 生物 化学 生物化学 基因 语言学 哲学 进化生物学
作者
Ben Lai,Jinbo Xu
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:23 (1) 被引量:113
标识
DOI:10.1093/bib/bbab502
摘要

Abstract Experimental protein function annotation does not scale with the fast-growing sequence databases. Only a tiny fraction (<0.1%) of protein sequences has experimentally determined functional annotations. Computational methods may predict protein function very quickly, but their accuracy is not very satisfactory. Based upon recent breakthroughs in protein structure prediction and protein language models, we develop GAT-GO, a graph attention network (GAT) method that may substantially improve protein function prediction by leveraging predicted structure information and protein sequence embedding. Our experimental results show that GAT-GO greatly outperforms the latest sequence- and structure-based deep learning methods. On the PDB-mmseqs testset where the train and test proteins share <15% sequence identity, our GAT-GO yields Fmax (maximum F-score) 0.508, 0.416, 0.501, and area under the precision-recall curve (AUPRC) 0.427, 0.253, 0.411 for the MFO, BPO, CCO ontology domains, respectively, much better than the homology-based method BLAST (Fmax 0.117, 0.121, 0.207 and AUPRC 0.120, 0.120, 0.163) that does not use any structure information. On the PDB-cdhit testset where the training and test proteins are more similar, although using predicted structure information, our GAT-GO obtains Fmax 0.637, 0.501, 0.542 for the MFO, BPO, CCO ontology domains, respectively, and AUPRC 0.662, 0.384, 0.481, significantly exceeding the just-published method DeepFRI that uses experimental structures, which has Fmax 0.542, 0.425, 0.424 and AUPRC only 0.313, 0.159, 0.193.
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