A Hyperbolic Discrete Diffusion 3D RNA Inverse Folding Model for Functional RNA Design

核糖核酸 反向 折叠(DSP实现) 扩散 计算生物学 生物系统 数学 物理 计算机科学 化学 生物 生物化学 几何学 工程类 基因 热力学 电气工程
作者
Dongyue Hou,Shuai Zhang,Minyi Ma,Hung‐Yun Lin,Zheng Wan,Huijun Zhao,Renjun Zhou,Xiao He,Xian Wei,Dianwen Ju,Xian Zeng
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:65 (13): 6568-6584
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.5c00527
摘要

Generative design of functional RNAs presents revolutionary opportunities for diverse RNA-based biotechnologies and biomedical applications. To this end, RNA inverse folding is a promising strategy for generatively designing new RNA sequences that can fold into desired topological structures. However, three-dimensional (3D) RNA inverse folding remains highly challenging due to limited availability of experimentally derived 3D structural data and unique characteristics of RNA 3D structures. In this study, we propose RIdiffusion, a hyperbolic denoising diffusion generative RNA inverse folding model, for 3D RNA design tasks. By embedding geometric features of RNA 3D structures and topological properties into hyperbolic space, RIdiffusion efficiently recovers the distribution of nucleotides for targeted RNA 3D structures based on limited training samples using a discrete diffusion model. We perform extensive evaluations on RIdiffusion using different data sets and strict data-splitting strategies and the results demonstrate that RIdiffusion consistently outperforms baseline generative models for RNA inverse folding. This study introduces RIdiffusion as a powerful tool for the generative design of functional RNAs, even in structure-data-scarce scenarios. By leveraging geometric deep learning, RIdiffusion enhances performance and holds promise for diverse downstream applications.
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