课题基金 / 基金详情

基于深度学习的甲型流感病毒抗原性预测

批准号:
32060151
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
34.0 万元
负责人:
李维华
依托单位:
学科分类:
生物数据资源与分析方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李维华

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
甲型流感病毒可能导致季节性流感疫情甚至全球流感大爆发,这主要因为流感表面糖蛋白血凝素可以通过持续的抗原进化逃避宿主免疫,这也给疫苗决策提出了巨大的挑战。鲁棒的抗原相似性和抗原进化预测是应对疫苗挑战的理想方法。深度学习在很多领域显示出了它的优越性。因此,本项目以充分利用现有的遗传数据和抗原数据、从数据中发现规律为基本目标,以生物数据和深度学习相结合的策略研究抗原相似性和抗原进化的预测问题。预实验表明此研究具有可行性。项目整合现有分散的抗原数据并搭建数据共享平台,用网络模型对抗原相似性进行建模,用时间序列对抗原进化过程进行建模,进一步设计抗原相似性预测和抗原进化预测的深度神经网络模型,利用深度学习技术充分挖掘数据中隐含的关键信息,并利用这些信息实现抗原相似性和抗原进化的预测。项目发展抗原性预测的新模型、新方法和新平台,促进抗原数据的有效应用,为遗传变异和进化分析提供一种全新的思路和途径。
英文摘要
Influenza A virus can lead to seasonal and even pandemic outbreaks, mainly because the influenza surface glycoprotein hemagglutinin (HA) can evade host immunity through continued antigenic evolution. This has become a key challenge for vaccine decision making. Robust methods for antigenic similarity prediction and antigenic evolution prediction can meet this challenge. Deep learning has shown its superiority in many fields. This project aims to make full use of existing genetic data and antigenic data, discovers the patterns from the data, and studies antigenic similarity prediction and antigenic evolution prediction by combining biological data and deep learning. The pre-experiments show that this research is feasible. The project first integrates existing scattered antigenic data and builds a data sharing platform, models antigenic similarities with a network, models the antigenic evolution process with time series, further designs deep neural network models for antigenic similarity prediction and antigenic evolution prediction, learns the key information implicit in the data and predicts the antigenic similarities and the antigenic evolution by this information. The project develops new models, methods and a platform for antigenicity prediction, promotes the effective application of antigenic data, and provides a new way for genetic variation and evolutionary analysis.
甲型流感病毒能够迅速进化并逃避人类免疫,使其可能引发季节性流感疫情,甚至导致全球性大流行。为了保持疫苗的效力,需要持续监测毒株的抗原性并经常更新疫苗。项目利用深度学习技术,研究有效的流感抗原性预测模型和方法,为病毒监测和疫苗筛选提供支撑技术和解决方案。取得的主要结果如下:(1)项目整理了约50万条针对甲型H1N1、H3N2和乙型流感病毒的血凝抑制实验数据,建立了包含详细元数据的结构化数据库,并开发了数据共享和分析展示的平台;(2)结合K-mer嵌入和One-hot嵌入,采用卷积神经网络、循环神经网络及门控机制等技术,开发了高效的序列特征提取模型,进一步应用于血凝素蛋白序列的特征提取,并开发了抗原相似性的预测模型;(3)应用图神经网络及元学习等技术,开发了基于网络模型的抗原距离预测工具,能有效识别抗原簇;(4)设计了基于序列相似性的毒株演化时间序列构建方法,并利用编码器-解码器架构和Transformer模型,开发了血凝素蛋白演化趋势的预测模型,能为未来流感季的流行毒株进行推断;(5)在理解复杂生物相互作用方面开展了拓展研究,设计并开发了融合多种特征的嵌入算法和生物特征捕捉模型,并应用于蛋白质相互作用预测等领域。综上,本研究为流感及相关任务设计并搭建了有效的模型、方法和平台,为疫苗筛选和监测提供了技术基础和数据支持。项目执行期间发表学术论文16篇,主要成果发表在《Briefings in Bioinformatics》、《IEEE-ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics》、《Pattern Recognition》等生物信息计算和人工智能等重要学术期刊上;申请中国发明专利2项,其中授权1项;获准计算机软件著作权1项;培养硕士研究生14人毕业获得硕士学位,1人获得博士学位;主持人入选云南省中青年学术与技术带头人后备人才,获得云南省自然科学三等奖1项,圆满地完成了项目的既定目标。
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