——背景——

蛋白質(zhì)磷酸化在多種生物學(xué)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其失調(diào)與多種人類疾病密切相關(guān),，例如神經(jīng)退行性疾病和癌癥,。盡管目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多磷酸化位點(diǎn)，但絕大多數(shù)磷酸化位點(diǎn)的功能和調(diào)節(jié)類型未知,，功能研究是磷酸化研究領(lǐng)域的“瓶頸”問題,。磷酸化在調(diào)節(jié)酶活性方面起著至關(guān)重要的作用。之前的研究表明某些位點(diǎn)的磷酸化可以抑制或增強(qiáng)酶活性,。同一蛋白質(zhì)中不同磷酸化位點(diǎn)的磷酸化有時會帶來完全不同的功能調(diào)節(jié)類型,。該類研究主要通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，缺乏有效的計算方法來預(yù)測某個殘基的磷酸化是否會上調(diào)或下調(diào)酶活性,。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心/北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院來魯華課題組近日在Advanced Science上發(fā)表了題為“MMFuncPhos: A Multi-Modal Learning Framework for Identifying Functional Phosphorylation Sites and Their Regulatory Types“的研究論文,。該研究首先發(fā)展了一個基于多模態(tài)深度學(xué)習(xí)框架預(yù)測功能性磷酸化位點(diǎn)的方法MMFuncPhos，并進(jìn)一步基于遷移學(xué)習(xí)發(fā)展了EFuncType,，首次實(shí)現(xiàn)了先驗(yàn)地預(yù)測殘基磷酸化之后是上調(diào)還是下調(diào)酶的活性,。MMFuncPhos預(yù)測的功能性磷酸化位點(diǎn)和EFuncType預(yù)測的調(diào)節(jié)類型與最新報道的多個體系中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

——方法與結(jié)果——

為了預(yù)測功能性磷酸化位點(diǎn),，作者構(gòu)建了一個多模態(tài)深度學(xué)習(xí)模型MMFuncPhos（圖1）,。模型的輸入由兩部分組成,。在第一部分中，蛋白質(zhì)序列輸入到預(yù)訓(xùn)練的蛋白質(zhì)語言模型ESM-2中,，為每個磷酸化位點(diǎn)生成全局和殘基水平的進(jìn)化信息,。在第二部分中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)輸入到圖卷積網(wǎng)絡(luò)GCN中,，生成以每個磷酸化位點(diǎn)為中心的局部結(jié)構(gòu)圖,。Cross-attention和self-attention模塊被用來融合兩部分的輸入信息。最后,，一個全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出一個概率值,，給出一個位點(diǎn)是功能性磷酸化位點(diǎn)的概率。

圖1. 用于預(yù)測功能性磷酸化位點(diǎn)的多模態(tài)深度學(xué)習(xí)模型MMFuncPhos,。

為了進(jìn)一步評估MMFuncPhos方法,，作者隨后將其與代表性的功能性磷酸化位點(diǎn)預(yù)測方法cDL-FuncPhos和iFPS進(jìn)行了比較（圖2）。結(jié)果表明MMFuncPhos優(yōu)于其他功能性磷酸化位點(diǎn)預(yù)測方法,。

圖2. MMFuncPhos與兩種代表性功能磷酸化位點(diǎn)預(yù)測方法的比較結(jié)果,。

磷酸化在調(diào)節(jié)酶活性方面起著至關(guān)重要的作用。為了預(yù)測不同磷酸化位點(diǎn)如何影響酶活性,，作者收集了具有抑制或增強(qiáng)酶活性的磷酸化位點(diǎn)數(shù)據(jù)。鑒于這個酶活性數(shù)據(jù)集的規(guī)模較小,，作者探索了幾種不同的訓(xùn)練策略,。最初，作者直接在收集的數(shù)據(jù)上訓(xùn)練模型,，得到的AUROC值為0.694,。隨后，作者嘗試了多任務(wù)訓(xùn)練方法,，同時在功能性磷酸化位點(diǎn)數(shù)據(jù)集和酶活性數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練,。然而，由于功能性磷酸化位點(diǎn)數(shù)據(jù)集的規(guī)模較大,，占據(jù)優(yōu)勢,，酶活性調(diào)節(jié)類型預(yù)測模型的AUROC值僅提高到了0.732。最后,，作者采用了遷移學(xué)習(xí)策略,，并測試了兩種遷移學(xué)習(xí)的方式：第一種是將功能性磷酸化位點(diǎn)預(yù)測的最佳模型中除分類器外的所有嵌入層參數(shù)遷移過來作為酶活性調(diào)節(jié)類型預(yù)測模型的初始參數(shù)；第二種是將功能性磷酸化位點(diǎn)預(yù)測的最佳模型的全部參數(shù)遷移過來作為此處模型的初始參數(shù),。然后使用酶活性調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)對新的酶活性調(diào)節(jié)類型預(yù)測模型進(jìn)行微調(diào)（圖3）,。結(jié)果表明，遷移學(xué)習(xí)是有效的,，通過微調(diào)整個訓(xùn)練好的模型達(dá)到了最佳性能,。最終的酶活性調(diào)節(jié)類型預(yù)測模型EFuncType達(dá)到了0.888的AUROC和0.844的準(zhǔn)確率,。

圖3. 基于遷移學(xué)習(xí)預(yù)測磷酸化對酶活性的調(diào)節(jié)類型的模型EFuncType。(A) EFuncType模型的框架,。(B) EFuncType（Fine-tuning, all）及其他模型的性能表現(xiàn),。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所發(fā)展方法的有效性，作者還在數(shù)據(jù)集之外的最近發(fā)表的蛋白質(zhì)磷酸化案例上進(jìn)行了測試,。MMFuncPhos能夠正確預(yù)測出多個體系中的功能性磷酸化位點(diǎn),，同時EFuncType能夠成功預(yù)測出它們的調(diào)節(jié)類型（圖4），展示了MMFuncPhos和EFuncType的高效預(yù)測能力,。

圖4. MMFuncPhos 預(yù)測了 CaMKIIβ (A),、SERCA2 (B)、Src (C) 和 NADK (D) 中的功能性磷酸化位點(diǎn),，EFuncType 預(yù)測了這些磷酸化位點(diǎn)的調(diào)節(jié)類型,。藍(lán)色標(biāo)簽表示抑制酶活性，紅色標(biāo)簽表示增強(qiáng)酶活性,。

——小結(jié)——

總的來說,，該研究基于多模態(tài)深度學(xué)習(xí)框架發(fā)展了一種預(yù)測功能性磷酸化位點(diǎn)的SOTA方法MMFuncPhos。進(jìn)一步基于遷移學(xué)習(xí)開發(fā)了首個可以先驗(yàn)地預(yù)測磷酸化殘基是增強(qiáng)還是抑制酶活性的方法EFuncType,。MMFuncPhos和EFuncType成功預(yù)測了多個最新報道的蛋白體系中的功能性磷酸化位點(diǎn)及其調(diào)節(jié)類型,。為了便于用戶使用，作者將這兩個預(yù)測模型整合到了MMFuncPhos網(wǎng)站中（http://:8000/mmfuncphos/）,，用戶只需要輸入序列和想要預(yù)測的磷酸化位點(diǎn)即可方便地預(yù)測該磷酸化位點(diǎn)是否具有功能及其調(diào)節(jié)類型,。本研究有助于理解磷酸化的功能調(diào)節(jié)機(jī)制，并為精準(zhǔn)醫(yī)療,、酶工程和藥物發(fā)現(xiàn)提供有價值的信息,。

北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心博士后謝娟為本論文的第一作者，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心/北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院來魯華教授為本論文的通訊作者,，北京大學(xué)PTN項(xiàng)目博士研究生董睿涵,、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心博士研究生朱金濤、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心博士后林豪禹,、北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院王世偉博士對該工作的完成做出了重要貢獻(xiàn),。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22237002，T2321001）,、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 (2021-I2M-5-014)和中國博士后科學(xué)基金（2023M740071）的資助,。

參考文獻(xiàn)

Xie, Juan; Dong, Ruihan; Zhu, Jintao; Lin, Haoyu; Wang, Shiwei; Lai, Luhua. "MMFuncPhos: A Multi-Modal Learning Framework for Identifying Functional Phosphorylation Sites and Their Regulatory Types" Advanced Science (2025).