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Interaction-Based Inductive Bias in Graph Neural Networks: Enhancing Protein-Ligand Binding Affinity Predictions From 3D Structures

成对比较 可解释性 计算机科学 人工智能 人工神经网络 归纳偏置 一般化 亲缘关系 图形 生物系统 化学 数学 理论计算机科学 生物 立体化学 经济 数学分析 管理 任务(项目管理) 多任务学习
作者
Ziduo Yang,Weihe Zhong,Qiujie Lv,Tiejun Dong,Guanxing Chen,Calvin Yu‐Chian Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:46 (12): 8191-8208 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tpami.2024.3400515
摘要

Inductive bias in machine learning (ML) is the set of assumptions describing how a model makes predictions. Different ML-based methods for protein-ligand binding affinity (PLA) prediction have different inductive biases, leading to different levels of generalization capability and interpretability. Intuitively, the inductive bias of an ML-based model for PLA prediction should fit in with biological mechanisms relevant for binding to achieve good predictions with meaningful reasons. To this end, we propose an interaction-based inductive bias to restrict neural networks to functions relevant for binding with two assumptions: (1) A protein-ligand complex can be naturally expressed as a heterogeneous graph with covalent and non-covalent interactions; (2) The predicted PLA is the sum of pairwise atom-atom affinities determined by non-covalent interactions. The interaction-based inductive bias is embodied by an explainable heterogeneous interaction graph neural network (EHIGN) for explicitly modeling pairwise atom-atom interactions to predict PLA from 3D structures. Extensive experiments demonstrate that EHIGN achieves better generalization capability than other state-of-the-art ML-based baselines in PLA prediction and structure-based virtual screening. More importantly, comprehensive analyses of distance-affinity, pose-affinity, and substructure-affinity relations suggest that the interaction-based inductive bias can guide the model to learn atomic interactions that are consistent with physical reality. As a case study to demonstrate practical usefulness, our method is tested for predicting the efficacy of Nirmatrelvir against SARS-CoV-2 variants. EHIGN successfully recognizes the changes in the efficacy of Nirmatrelvir for different SARS-CoV-2 variants with meaningful reasons.
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