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

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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:32
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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