网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

疫苗设计新思路!耶鲁等首次挖掘「免疫」可解释结构

0
分享至

新智元报道

编辑:LRST

【新智元导读】免疫系统通过识别抗原的特定片段(表位)来判断是否启动免疫反应,但准确预测表位的免疫原性极具挑战。耶鲁大学等将免疫原性预测拓展为多模态建模,整合序列、三维结构和生化属性,显著提升预测性能并增强可解释性。该方法还针对癌症免疫的特殊性设计对比学习策略,有效利用稀缺数据,为疫苗设计和免疫治疗提供新思路。

当抗原进入人体或在体内产生时,免疫系统需要通过一套复杂机制判断其是否为「敌人」,并据此激活免疫反应,这一可被识别并触发反应的特性被称为免疫原性

然而,免疫系统并不会对所有抗原片段作出反应,它真正「看到」的往往只是少数关键片段,即表位(epitopes)。

疫苗设计正是利用这一机制,试图通过人工方式呈递特定表位来诱导免疫反应。表位是否具有免疫原性并非由单一因素决定,而是一个多阶段、强依赖上下文的过程。

因此,即便序列高度相似的表位,其免疫原性也可能截然不同,使得免疫原性的准确预测本身极具挑战。

现有主流方法往往将抗原简化为一维氨基酸序列,并基于卷积神经网络或语言模型进行建模,这类方法在一定程度上有效,但忽略了蛋白质在三维空间中的真实结构形态以及由此产生的空间相互作用,从而在预测精度和结果可解释性上存在天然局限。

近日,针对这些局限,耶鲁大学与霍华德·休斯医学研究所的研究团队提出ImmunoStruct,其核心思想是免疫原性不仅取决于序列本身,还受到空间构型、表面暴露特性以及多种生化相互作用的共同影响,ImmunoStruct将免疫原性预测从一维序列建模拓展为多模态建模问题

论文链接:https://www.nature.com/articles/s42256-025-01163-y

代码链接:https://github.com/KrishnaswamyLab/ImmunoStruct

从「一维序列」到「多模态结构」

ImmunoStruct的核心思想

具体而言,ImmunoStruct同时整合了三类互补信息:序列信息、由AlphaFold2预测得到的三维结构信息,以及使用物理模型从结构与序列中计算出的生化属性(图1)。

图1:ImmunoStruct的框架概览

模型通过变分自编码器学习紧凑而连续的序列表示,通过等变图神经网络刻画三维结构空间关系与相互作用,并通过多层感知机建模生化特征。

在此基础上,它采用多模态注意力机制对不同模态的信息进行协同融合,使模型能够根据具体样本动态关注对免疫原性最具判别力的结构、序列或生化特征。

这种从「序列」走向「结构–序列–生化属性」联合建模的策略,使ImmunoStruct不仅在预测性能上显著优于现有方法,也首次实现了对免疫原性结构决定因素的可解释建模,为表位疫苗设计中免疫原性筛选提供了更符合生物学机制的计算框架。

另外,针对癌症免疫数据稀缺、有效免疫信号更难获取的问题,研究团队进一步从癌症免疫的基本特性出发进行了建模设计。

与感染性抗原不同,癌症相关的突变往往源自人体自身蛋白,免疫系统在发育过程中已对「正常版本」形成耐受,因此大多数突变并不会引发免疫反应;只有当突变显著改变了免疫系统「看到」的关键特征时,才可能被识别为异常并触发反应。

基于这一差异性,ImmunoStruct引入了基于突变型与对应野生型序列的对比学习策略(图2):当突变不具备免疫原性时,模型学习将二者在表示空间中拉近;而当突变产生免疫原性时,则学习将二者明确区分开来,从而直接围绕「突变是否带来有效变化」这一核心问题组织表示学习。

图2:针对癌症数据的「突变型/野生型」对比学习策略

同时,该对比目标还鼓励不同特征维度捕捉互补信息,减少表示退化,使有限的癌症免疫数据能够被更高效地利用,并显著提升下游预测性能。

研究团队在多类免疫相关数据集上对ImmunoStruct进行了系统评估,涵盖传染病(IEDB数据集)与癌症(CEDAR数据集)的免疫原性预测任务。

实验结果显示,相较于主要依赖序列信息的既有方法,ImmunoStruct在免疫原性预测性能上取得了稳定提升。

图3: 在传染病数据集IEDB上的表现

模型为什么会这么判断?

结构层面的线索开始显现

为了理解ImmunoStruct的预测依据,研究团队进一步分析了模型中的结构注意力机制。

结果显示,模型并非平均利用所有输入信息,而是学会将注意力集中到少数具有判别力的空间位置。在高免疫原性样本中,注意力显著富集于抗原分子中部且更容易向外暴露的区域,而非主要承担结构锚定作用的位置(图4)。

图4: 一些模型可解释性的分析

进一步分析发现,这些被重点关注的位置在免疫原性样本中呈现出更高的一致性,暗示模型捕捉到的是稳定的结构特征而非偶然的序列差异。将注意力模式映射回已知的三维结构后可以看到,模型关注的区域与真实分子识别界面高度一致,为预测结果提供了直观的结构解释。

这种结构感知能力也使ImmunoStruct能够区分极其细微的突变差异,在癌症新抗原的案例中,即便仅相差一个氨基酸,模型仍能通过捕捉局部空间构型的变化给出不同的免疫原性预测,表明其判断是建立在可解释的结构线索之上的。

在更接近真实生物医学场景中的进一步验证

为了检验模型在真实生物医学任务中的有效性,研究团队进一步在实验数据和临床数据上对ImmunoStruct进行了独立验证(图5)。

图5: 一些在实验数据和临床数据上的验证结果

在实验层面,作者针对一组来源于 SARS-CoV-2 的候选表位开展了体外免疫实验。结果显示,ImmunoStruct 在未参与实验设计的情况下,能够准确预测大多数实验测得的免疫反应,整体表现与实验结果高度一致,表明模型学到的信号具有可转移的生物学意义。

更进一步,研究团队将ImmunoStruct应用于接受免疫治疗的癌症患者队列,并基于模型预测的免疫原性水平对患者进行分组。在无需任何再训练的情况下,ImmunoStruct的预测结果能够有效区分患者的生存期,且表现优于常用的突变负荷等指标。这表明,模型不仅能够在受控实验条件下做出合理判断,也能够在高度复杂、异质性极强的临床数据中捕捉与治疗结局相关的免疫信号,展现出潜在的临床转化价值。

意义与展望

总体而言,ImmunoStruct展示了一种从「一维序列建模」迈向「多模态结构感知学习」的新范式:通过联合利用序列、空间结构与生化特征,并引入可解释的注意力机制与对比学习策略,模型不仅提升了免疫原性预测性能,也揭示了哪些结构线索真正驱动模型决策。

这一工作表明,在复杂生物问题中,将深度学习与结构信息和领域知识相结合,能够在有限数据条件下同时获得更强的泛化能力与更高的可解释性,为精准疫苗设计、蛋白功能预测以及更广泛的结构感知机器学习任务提供了可推广的思路。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s42256-025-01163-y

秒追ASI

⭐点赞、转发、在看一键三连⭐

点亮星标,锁定新智元极速推送!

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
闹大了!韩红风波再升级,更多“丑闻”被扒,李荣浩早已看透

闹大了!韩红风波再升级,更多“丑闻”被扒,李荣浩早已看透

小鱼爱鱼乐
2026-07-11 03:33:56
周星驰时隔八年官宣新“星女郎”,她们中谁是你的意难平?

周星驰时隔八年官宣新“星女郎”,她们中谁是你的意难平?

新民周刊
2026-07-11 18:31:36
男子深夜打专车在后座留下大便离开,司机:经协调对方只愿赔799元清洗费,但粪便已渗入海绵,或需上万元换座椅

男子深夜打专车在后座留下大便离开,司机:经协调对方只愿赔799元清洗费,但粪便已渗入海绵,或需上万元换座椅

极目新闻
2026-07-11 15:46:07
亚马尔赛后发声

亚马尔赛后发声

扬子晚报
2026-07-11 09:25:00
“这么小就有阴德纹,她的家长不简单!”小学女生面相走红

“这么小就有阴德纹,她的家长不简单!”小学女生面相走红

泽泽先生
2026-07-11 15:40:54
广东揭阳一村民当街杀害村支书!

广东揭阳一村民当街杀害村支书!

黄河新闻网吕梁
2026-07-11 17:02:27
俄军使用白磷弹轰击康城,英国新首相候选人承诺支持乌克兰不动摇

俄军使用白磷弹轰击康城,英国新首相候选人承诺支持乌克兰不动摇

史政先锋
2026-07-11 17:05:14
闵先生怒曝调解内幕!女车主领导陪同!挑事的眼镜男消失 身份成谜

闵先生怒曝调解内幕!女车主领导陪同!挑事的眼镜男消失 身份成谜

观察鉴娱
2026-07-11 09:42:19
西媒:若决赛在摩洛哥举办,西班牙可能考虑放弃承办2030年世界杯

西媒:若决赛在摩洛哥举办,西班牙可能考虑放弃承办2030年世界杯

砚底沉香
2026-07-11 07:53:07
世界杯巅峰对决!法国将战西班牙,5年4次恶战,亚马尔挑战姆巴佩

世界杯巅峰对决!法国将战西班牙,5年4次恶战,亚马尔挑战姆巴佩

奥拜尔
2026-07-11 05:02:16
杭州:台风影响期间,非必要不外出、非必要不流动

杭州:台风影响期间,非必要不外出、非必要不流动

界面新闻
2026-07-11 18:35:58
《功夫女足》票房突破1亿

《功夫女足》票房突破1亿

界面新闻
2026-07-11 11:36:14
周星驰《功夫女足》试映口碑炸锅,首波观众反馈出奇一致,星爷这次真的杀疯了!

周星驰《功夫女足》试映口碑炸锅,首波观众反馈出奇一致,星爷这次真的杀疯了!

TVB的四小花
2026-07-10 18:03:19
“副处长霸占车位”,央视网评:连车位都霸占,你还指望他为人民服务?检察日报评:“小恶难惩”把维权者逼向违法边缘

“副处长霸占车位”,央视网评:连车位都霸占,你还指望他为人民服务?检察日报评:“小恶难惩”把维权者逼向违法边缘

扬子晚报
2026-07-11 10:01:01
娇妻全力安慰!35岁丁丁长叹一声:我都35了,还做过手术,尽力了

娇妻全力安慰!35岁丁丁长叹一声:我都35了,还做过手术,尽力了

风过乡
2026-07-11 10:41:54
含泪赚了4万多!上海月薪5000女生花4.8万买手链,3小时退货被拒,引热议

含泪赚了4万多!上海月薪5000女生花4.8万买手链,3小时退货被拒,引热议

火山詩话
2026-07-11 08:10:03
交通运输部:坚决拥护党中央决定

交通运输部:坚决拥护党中央决定

新京报
2026-07-10 19:49:40
6月新增新冠确诊7.9万例,其中重症130例

6月新增新冠确诊7.9万例,其中重症130例

医学界
2026-07-10 17:41:57
善恶到头终有报!央媒表态才6天,韩红再迎“噩耗”,孙浩曝黑幕

善恶到头终有报!央媒表态才6天,韩红再迎“噩耗”,孙浩曝黑幕

可乐爱微笑
2026-07-11 01:38:08
“辞职看世界”的女老师,11年后现状曝光:黯然回乡,老公已离婚

“辞职看世界”的女老师,11年后现状曝光:黯然回乡,老公已离婚

知法而形
2026-07-10 00:30:44
2026-07-11 20:52:49
新智元 incentive-icons
新智元
AI产业主平台领航智能+时代
15666文章数 66950关注度
往期回顾 全部

科技要闻

苹果起诉OpenAI系统性窃密,挖超400前员工

头条要闻

综艺爆雷导演跑路多位明星讨债 导演曾称欠债3000多万

头条要闻

综艺爆雷导演跑路多位明星讨债 导演曾称欠债3000多万

体育要闻

燃尽的比利时黄金一代,逃不过厄运诅咒

娱乐要闻

周星驰官宣星女郎 纯素人无拍戏经验

财经要闻

一封举报信 引发小红书IPO合规考验

汽车要闻

预售权益价11.78万起 五菱星光L将于7月16日上市

态度原创

时尚
教育
旅游
数码
军事航空

回购多年|| 每年这个时候都要用,终于被我蹲到“抄底价”

教育要闻

绵阳民办学校摇号结果今日公布,附各校学位确认流程!

旅游要闻

关于忻州云中河温泉旅游度假区足球场7月13日至7月22日暂时关闭公告

数码要闻

BW暴走一万六千步:我看到硬件厂商正在疯抢二次元年轻人

军事要闻

特朗普:1000枚导弹已瞄准伊朗

无障碍浏览 进入关怀版