网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Nat Commun丨邵斌课题组实现首个生成式DNA大语言模型

0
分享至

以GPT模型为代表的生成式语言模型通过对海量文本的学习,具备了生成和理解复杂语言的能力,深刻的变革了自然语言处理领域。人类的语言和生命的语言DNA本质上都是序列信息。基于这种相似性,语言模型也在基因组学领域得到一系列应用,比如进行功能基因标注或调控片段预测等。但已有的DNA语言模型多是采用BERT架构,利用类似于完形填空的方式进行训练,虽然能够理解DNA序列,但难以像GPT模型那样创造性地生成全新序列。同时这些模型的输入窗口较为狭窄,一次只能处理较短的DNA片段,难以对完整基因组进行分析。

2024年10月30日,北京理工大学邵斌教授课题组在Nature Communications杂志上发表了题为:A long-context language model for deciphering and generating bacteriophage genomes的最新研究成果,实现了首个生成式DNA大语言模型,megaDNA。该模型利用无标注的噬菌体 (专门感染细菌的病毒) 基因组数据进行预训练,不仅能准确预测噬菌体的必需基因,更能够生成长达10万碱基对的崭新基因组片段——即像写作自然语言一样生成DNA序列。另外,模型在学习过程中获得的深层信息(embedding),还能应用于蛋白质功能预测、基因调控研究,以及无标注DNA片段分类等多个下游任务。

研究者在NCBI GenBank等公开数据库收集了约10万个高质量噬菌体完整基因组作为训练数据。在分词环节没有采用传统的BPE分词器,或者以k-mer方式将DNA切成小片段,而将每个碱基看作独立的文字单元 (token) ,避免了分词环节可能带来的偏差,同时可以使语言模型学习到单碱基精度的DNA调控和设计信息。在模型架构上借鉴了Meta公司开发的多层transformer架构,每层注意力机制用以处理不同精度的DNA信息,克服了传统transformer模型只能处理短序列的限制。最终模型使用了三层transformer结构,包含1.5亿个参数。可以一次性分析长达10万个碱基的序列,足以覆盖多数噬菌体的完整基因组。

研究者假设DNA大语言模型在训练过程中掌握了噬菌体基因组设计的一般准则,对基因组序列的评分 (模型损失) 能够反映其生物学适应性。为验证这一想法,针对lambda噬菌体基因组进行了基因敲除的模拟实验,对基因组不同位置片段进行突变,利用语言模型计算序列损失,并与实际的CRISPR 基因敲除实验结果进行直接比对。计算发现模型预测的高突变损失区域与实验验证的必需基因高度重合,相应的预测准确度 (AUROC) 达到0.86。这一结果表明即便没有经过专门的训练和微调,大语言模型通过对大量噬菌体基因组的无监督学习,能够准确识别出其中的必需基因,展现了语言模型在基因组分析上的应用潜力。

另外模型在学习过程中获取的DNA序列信息 (即隐含层表示,embedding) 能够应用于一系列的下游预测任务。比如在蛋白质突变效果预测上,模型表现和专业工具DeepSequence接近,甚至能够准确预测训练数据中没有出现过的细菌蛋白对应的突变效果。另外在5端非翻译区 (5’UTR) 转录活性的预测上,预测结果与实验数据的相关系数达到了0.8以上。最后模型的隐含层表示可以针对未标注DNA序列进行分类,构建的简单分类模型针对噬菌体,细菌和古菌序列得到了较高的准确度 (AUROC为0.98) 。

以GPT为代表的生成式语言模型最重要的能力之一是产生全新的具有丰富内涵的文字序列。研究者利用megaDNA模型生成了一千条崭新的基因组序列,并利用软件geNomad对序列进行系统评估。这些人工生成的基因组序列平均长度为4.3万碱基对,包含67个预测基因,这些特征与训练数据中的真实噬菌体基因组高度相似。其中22%的序列被识别为有尾噬菌体目 (Caudoviricetes) 。在表达调控方面,这些序列具有完整的可能发挥功能的基因表达系统,包括典型的细菌启动子序列 (-35和-10区) ,其5端非翻译序列的转录活性显著高于随机DNA。同时在起始密码子ATG前具有富含A和G碱基的核糖体结合位点 (RBS) 。通过EMSFold进行结构预测,发现这些预测基因能够形成有效的蛋白质折叠结构。在功能方面,预测基因编码了噬菌体所需的关键功能蛋白,涵盖尾部结构、DNA代谢、头部组装以及细胞裂解等功能。值得一提的是,这些生成的基因组序列以及预测基因跟已有的训练数据具有极低的序列相似性。

综上所述,该研究展示了生成式语言模型在基因组序列分析和生成上的巨大潜力,为噬菌体基因组注释和功能序列设计开辟了全新的路径。虽然目前生成的基因片段还未能实现噬菌体的完整生命功能 (如有效自我复制) 。但该工作以及后续工作为从头设计以噬菌体为代表的生物体完整基因组提供了新的基础,有望在医疗、农业、食品安全等多个领域取得广泛应用。

北京理工大学邵斌教授 (前Broad Institute计算科学家) 为文章的第一作者兼通讯作者。上海独立研究者闫嘉伟博士为该工作提供了重要支持。

邵斌课题组从事人工智能与生命科学交叉方向研究,拟每年招收硕士,博士研究生及访问学生,欢迎具有深度学习,物理学或相关交叉学科背景的学生加入,如有意向请投递简历,包含学习,工作经历以及主要研究内容,该招聘长期有效。

简历投递( 有意者请将个人简历等材料发至):

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-53759-4

文章代码:https://github.com/lingxusb/megaDNA

制版人:十一

BioART战略合作伙伴

(*排名不分先后)

BioART友情合作伙伴

(*排名不分先后)

转载须知


【非原创文章】本文著作权归文章作者所有,欢迎个人转发分享,未经作者的允许禁止转载,作者拥有所有法定权利,违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
《伟大的长征》开播仅6天,恶心一幕出现,国家一级演员引争议

《伟大的长征》开播仅6天,恶心一幕出现,国家一级演员引争议

林雁飞
2026-10-16 15:29:53
真人主播清零!宁夏电视台全天新闻播报都用上了AI主播

真人主播清零!宁夏电视台全天新闻播报都用上了AI主播

玛丽姬丝
2026-10-16 08:45:55
必须严惩!女篮爆发重大冲突,教练带头打人,拳打脚踢还嚣张挑衅

必须严惩!女篮爆发重大冲突,教练带头打人,拳打脚踢还嚣张挑衅

宗介说体育
2026-10-16 15:53:41
郭富城现身香港大学,炫饭唠嗑嘴不停,袁咏仪夫妇全程冷漠不搭话

郭富城现身香港大学,炫饭唠嗑嘴不停,袁咏仪夫妇全程冷漠不搭话

胡一舸南游y
2026-10-16 15:14:56
日本敲响战鼓,对华称呼已变,日本民调:中国才是和平最大威胁

日本敲响战鼓,对华称呼已变,日本民调:中国才是和平最大威胁

关权教授聊经济
2026-10-16 11:33:07
赏罚分明?武汉女篮官方:丁亦可打架还手罚款1万,邢欣等人劝架奖励10万

赏罚分明?武汉女篮官方:丁亦可打架还手罚款1万,邢欣等人劝架奖励10万

懂球帝
2026-10-16 15:35:12
秒怂!在莫斯科教室披旭日旗大闹课堂的中国留学生,被举报至大使馆后拍视频道歉

秒怂!在莫斯科教室披旭日旗大闹课堂的中国留学生,被举报至大使馆后拍视频道歉

不掉线电波
2026-10-16 15:03:07
汕头“12·9”重大火灾事故致12人死亡,调查报告公布

汕头“12·9”重大火灾事故致12人死亡,调查报告公布

界面新闻
2026-10-16 17:04:52
三部门联合彻查尊界事件!余承东激烈表态遭质疑:他都知道结果了?

三部门联合彻查尊界事件!余承东激烈表态遭质疑:他都知道结果了?

起点人文
2026-10-16 13:49:58
懂车帝大量删视频,彻底玩砸了!

懂车帝大量删视频,彻底玩砸了!

财经三分钟pro
2026-10-16 19:36:13
飞了30秒,却搅动了一个3.5万亿的市场

飞了30秒,却搅动了一个3.5万亿的市场

新浪财经
2026-10-16 14:03:46
11月1日起,社保正式大改革!新规落地,企业、打工人全部受影响

11月1日起,社保正式大改革!新规落地,企业、打工人全部受影响

江启
2026-10-16 08:53:25
男子花1800点陪酒女,摸胸被报警!姑娘:1800是陪酒钱,摸胸得另加

男子花1800点陪酒女,摸胸被报警!姑娘:1800是陪酒钱,摸胸得另加

一丝不苟的法律人
2026-10-16 12:39:11
成都白酒里查出壮阳西药,西地那非与酒同饮可能危及生命

成都白酒里查出壮阳西药,西地那非与酒同饮可能危及生命

药识局
2026-10-13 11:14:42
不可思议!江苏一女生发现男友看色情网站,认定是出轨,打耳光写检讨,准备租房搬离,网友吵翻了

不可思议!江苏一女生发现男友看色情网站,认定是出轨,打耳光写检讨,准备租房搬离,网友吵翻了

火山詩话
2026-10-16 14:36:39
突发!日本气象厅发布9.9级地震预警,四川网友都收到3.8级地震预警

突发!日本气象厅发布9.9级地震预警,四川网友都收到3.8级地震预警

可达鸭面面观
2026-10-16 13:13:39
外交部:现阶段要求中方参加,不公平、不合理,也不可行

外交部:现阶段要求中方参加,不公平、不合理,也不可行

环球时报国际
2026-10-16 17:39:47
知人知面不知心!长沙豪车大老板竟是缅北残害同胞的头号恶魔!

知人知面不知心!长沙豪车大老板竟是缅北残害同胞的头号恶魔!

故事终将光明磊落
2026-10-16 11:01:32
形势挺严重了!这5个行业,工资都发不下来了!

形势挺严重了!这5个行业,工资都发不下来了!

职场资深秘书
2026-10-16 19:47:24
黄奇帆和唐宁有什么关系?

黄奇帆和唐宁有什么关系?

西虹市闲话
2026-10-15 13:28:15
2026-10-16 23:16:49
BioArt incentive-icons
BioArt
探索生物艺术之奥秘
11402文章数 18548关注度
往期回顾 全部

科技要闻

杨天若院士:AI是中国弯道超车的机会

头条要闻

70岁老人身亡 六亲属被判故意杀人罪:曾商议让其喝药

头条要闻

70岁老人身亡 六亲属被判故意杀人罪:曾商议让其喝药

体育要闻

工资一分不要,曼联名将想把母队带回西甲

娱乐要闻

郭富城现身香港大学,袁咏仪夫妇全程冷漠不搭话

财经要闻

港交所拟2028年下半年实施T+1结算

汽车要闻

特斯拉会飞?全新Roadster亮相

态度原创

本地
家居
数码
艺术
公开课

本地新闻

因新荣记出圈,这座浙东小城才是吃货天堂

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

数码要闻

前行者Z7 MAX复合碳纤维鼠标发售:中大手对称模具,低至359.5元

艺术要闻

康定斯基这幅《多彩的生活》,2.78亿!

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版