Functional classification of G-Protein coupled receptors, based on their specific ligand coupling patterns

Functional identification of G-Protein Coupled Receptors (GPCRs) is one of the current focus areas of pharmaceutical research. Although thousands of GPCR sequences are known, many of them re- main as orphan sequences (the activating ligand is unknown). Therefore, classification methods for automated characterization of orphan GPCRs are imperative. In this study, for predicting Level 2 subfamilies of Amine GPCRs, a novel method for obtaining fixed-length feature vectors, based on the existence of activating ligand specific patterns, has been developed and utilized for a Support Vector Machine (SVM)-based classification. Exploiting the fact that there is a non-promiscuous relationship between the specific binding of GPCRs into their ligands and their functional classification, our method classifies Level 2 subfamilies of Amine GPCRs with a high predictive accuracy of 97.02% in a ten-fold cross validation test. The presented machine learning approach, bridges the gulf between the excess amount of GPCR sequence data and their poor functional characterization

Systematic analysis of primary sequence domain segments for the discrimination between class C GPCR subtypes

G-protein-coupled receptors (GPCRs) are a large and diverse super-family of eukaryotic cell membrane proteins that play an important physiological role as transmitters of extracellular signal. In this paper, we investigate Class C, a member of this super-family that has attracted much attention in pharmacology. The limited knowledge about the complete 3D crystal structure of Class C receptors makes necessary the use of their primary amino acid sequences for analytical purposes. Here, we provide a systematic analysis of distinct receptor sequence segments with regard to their ability to differentiate between seven class C GPCR subtypes according to their topological location in the extracellular, transmembrane, or intracellular domains. We build on the results from the previous research that provided preliminary evidence of the potential use of separated domains of complete class C GPCR sequences as the basis for subtype classification. The use of the extracellular N-terminus domain alone was shown to result in a minor decrease in subtype discrimination in comparison with the complete sequence, despite discarding much of the sequence information. In this paper, we describe the use of Support Vector Machine-based classification models to evaluate the subtype-discriminating capacity of the specific topological sequence segments.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

GPCR-BERT: Interpreting Sequential Design of G Protein Coupled Receptors Using Protein Language Models

With the rise of Transformers and Large Language Models (LLMs) in Chemistry and Biology, new avenues for the design and understanding of therapeutics have opened up to the scientific community. Protein sequences can be modeled as language and can take advantage of recent advances in LLMs, specifically with the abundance of our access to the protein sequence datasets. In this paper, we developed the GPCR-BERT model for understanding the sequential design of G Protein-Coupled Receptors (GPCRs). GPCRs are the target of over one-third of FDA-approved pharmaceuticals. However, there is a lack of comprehensive understanding regarding the relationship between amino acid sequence, ligand selectivity, and conformational motifs (such as NPxxY, CWxP, E/DRY). By utilizing the pre-trained protein model (Prot-Bert) and fine-tuning with prediction tasks of variations in the motifs, we were able to shed light on several relationships between residues in the binding pocket and some of the conserved motifs. To achieve this, we took advantage of attention weights, and hidden states of the model that are interpreted to extract the extent of contributions of amino acids in dictating the type of masked ones. The fine-tuned models demonstrated high accuracy in predicting hidden residues within the motifs. In addition, the analysis of embedding was performed over 3D structures to elucidate the higher-order interactions within the conformations of the receptors.Comment: 25 pages, 5 figure

Protein-ligand interaction prediction: an improved chemogenomics approach

Motivation: Predicting interactions between small molecules and proteins is a crucial step to decipher many biological processes, and plays a critical role in drug discovery. When no detailed 3D structure of the protein target is available, ligand-based virtual screening allows the construction of predictive models by learning to discriminate known ligands from non-ligands. However, the accuracy of ligand-based models quickly degrades when the number of known ligands decreases, and in particular the approach is not applicable for orphan receptors with no known ligand

Drug-Target Interaction Networks Prediction Using Short-linear Motifs

Drug-target interaction (DTI) prediction is a fundamental step in drug discovery and genomic research and contributes to medical treatment. Various computational methods have been developed to find potential DTIs. Machine learning (ML) has been currently used for new DTIs identification from existing DTI networks. There are mainly two ML-based approaches for DTI network prediction: similarity-based methods and feature-based methods. In this thesis, we propose a feature-based approach, and firstly use short-linear motifs (SLiMs) as descriptors of protein. Additionally, chemical substructure fingerprints are used as features of drug. Moreover, another challenge in this field is the lack of negative data for the training set because most data which can be found in public databases is interaction samples. Many researchers regard unknown drug-target pairs as non-interaction, which is incorrect, and may cause serious consequences. To solve this problem, we introduce a strategy to select reliable negative samples according to the features of positive data. We use the same benchmark datasets as previous research in order to compare with them. After trying three classifiers k nearest neighbours (k-NN), Random Forest (RF) and Support Vector Machine (SVM), we find that the results of k-NN are satisfied but not as excellent as RF and SVM. Compared with existing approaches using the same datasets to solve the same problem, our method performs the best under most circumstance

Analysis of class C G-protein coupled receptors using supervised classification methods

G protein-coupled receptors (GPCRs) are cell membrane proteins with a key role in regulating the function of cells. This is the result of their ability to transmit extracellular signals, which makes them relevant for pharmacology and has led, over the last decade, to active research in the field of proteomics. The current thesis specifically targets class C of GPCRs, which are relevant in therapies for various central nervous system disorders, such as Alzheimer’s disease, anxiety, Parkinson’s disease and schizophrenia. The investigation of protein functionality often relies on the knowledge of crystal three dimensional (3-D) structures, which determine the receptor’s ability for ligand binding responsible for the activation of certain functionalities in the protein. The structural information is therefore paramount, but it is not always known or easily unravelled, which is the case of eukaryotic cell membrane proteins such as GPCRs. In the face of the lack of information about the 3-D structure, research is often bound to the analysis of the primary amino acid sequences of the proteins, which are commonly known and available from curated databases. Much research on sequence analysis has focused on the quantitative analysis of their aligned versions, although, recently, alternative approaches using machine learning techniques for the analysis of alignment-free sequences have been proposed. In this thesis, we focus on the differentiation of class C GPCRs into functional and structural related subgroups based on the alignment-free analysis of their sequences using supervised classification models. In the first part of the thesis, the main topic is the construction of supervised classification models for unaligned protein sequences based on physicochemical transformations and n-gram representations of their amino acid sequences. These models are useful to assess the internal data quality of the externally labeled dataset and to manage the label noise problem from a data curation perspective. In its second part, the thesis focuses on the analysis of the sequences to discover subtype- and region-speci¿c sequence motifs. For that, we carry out a systematic analysis of the topological sequence segments with supervised classification models and evaluate the subtype discrimination capability of each region. In addition, we apply different types of feature selection techniques to the n-gram representation of the amino acid sequence segments to find subtype and region specific motifs. Finally, we compare the findings of this motif search with the partially known 3D crystallographic structures of class C GPCRs.Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) son proteínas de la membrana celular con un papel clave para la regulación del funcionamiento de una célula. Esto es consecuencia de su capacidad de transmisión de señales extracelulares, lo que les hace relevante en la farmacología y que ha llevado a investigaciones activas en la última década en el área de la proteómica. Esta tesis se centra específicamente en la clase C de GPCRs, que son relevante para terapias de varios trastornos del sistema nervioso central, como la enfermedad de Alzheimer, ansiedad, enfermedad de Parkinson y esquizofrenia. La investigación de la funcionalidad de proteínas muchas veces se basa en el conocimiento de la estructura cristalina tridimensional (3-D), que determina la capacidad del receptor para la unión con ligandos, que son responsables para la activación de ciertas funcionalidades en la proteína. El análisis de secuencias de amino ácidos se ha centrado en muchas investigaciones en el análisis cuantitativo de las versiones alineados de las secuencias, aunque, recientemente, se han propuesto métodos alternativos usando métodos de aprendizaje automático aplicados a las versiones no-alineadas de las secuencias. En esta tesis, nos centramos en la diferenciación de los GPCRs de la clase C en subgrupos funcionales y estructurales basado en el análisis de las secuencias no-alineadas utilizando modelos de clasificación supervisados. Estos modelos son útiles para evaluar la calidad interna de los datos a partir del conjunto de datos etiquetados externamente y para gestionar el problema del 'ruido de datos' desde la perspectiva de la curación de datos. En su segunda parte, la tesis enfoca el análisis de las secuencias para descubrir motivos de secuencias específicos a nivel de subtipo o región. Para eso, llevamos a cabo un análisis sistemático de los segmentos topológicos de la secuencia con modelos supervisados de clasificación y evaluamos la capacidad de discriminar entre subtipos de cada región. Adicionalmente, aplicamos diferentes tipos de técnicas de selección de atributos a las representaciones mediante n-gramas de los segmentos de secuencias de amino ácidos para encontrar motivos específicos a nivel de subtipo y región. Finalmente, comparamos los descubrimientos de la búsqueda de motivos con las estructuras cristalinas parcialmente conocidas para la clase C de GPCRs

Using machine learning tools for protein database biocuration assistance

Biocuration in the omics sciences has become paramount, as research in these fields rapidly evolves towards increasingly data-dependent models. As a result, the management of web-accessible publicly-available databases becomes a central task in biological knowledge dissemination. One relevant challenge for biocurators is the unambiguous identification of biological entities. In this study, we illustrate the adequacy of machine learning methods as biocuration assistance tools using a publicly available protein database as an example. This database contains information on G Protein-Coupled Receptors (GPCRs), which are part of eukaryotic cell membranes and relevant in cell communication as well as major drug targets in pharmacology. These receptors are characterized according to subtype labels. Previous analysis of this database provided evidence that some of the receptor sequences could be affected by a case of label noise, as they appeared to be too consistently misclassified by machine learning methods. Here, we extend our analysis to recent and quite substantially modified new versions of the database and reveal their now extremely accurate labeling using several machine learning models and different transformations of the unaligned sequences. These findings support the adequacy of our proposed method to identify problematic labeling cases as a tool for database biocuration.Peer ReviewedPostprint (published version

Virtual screening of potential bioactive substances using the support vector machine approach

Die vorliegende Dissertation stellt eine kumulative Arbeit dar, die in insgesamt acht wissenschaftlichen Publikationen (fünf publiziert, zwei eingerichtet und eine in Vorbereitung) dargelegt ist. In diesem Forschungsprojekt wurden Anwendungen von maschinellem Lernen für das virtuelle Screening von Moleküldatenbanken durchgeführt. Das Ziel war primär die Einführung und Überprüfung des Support-Vector-Machine (SVM) Ansatzes für das virtuelle Screening nach potentiellen Wirkstoffkandidaten. In der Einleitung der Arbeit ist die Rolle des virtuellen Screenings im Wirkstoffdesign beschrieben. Methoden des virtuellen Screenings können fast in jedem Bereich der gesamten pharmazeutischen Forschung angewendet werden. Maschinelles Lernen kann einen Einsatz finden von der Auswahl der ersten Moleküle, der Optimierung der Leitstrukturen bis hin zur Vorhersage von ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Toxicity) Eigenschaften. In Abschnitt 4.2 werden möglichen Verfahren dargestellt, die zur Beschreibung von chemischen Strukturen eingesetzt werden können, um diese Strukturen in ein Format zu bringen (Deskriptoren), das man als Eingabe für maschinelle Lernverfahren wie Neuronale Netze oder SVM nutzen kann. Der Fokus ist dabei auf diejenigen Verfahren gerichtet, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wurden. Die meisten Methoden berechnen Deskriptoren, die nur auf der zweidimensionalen (2D) Struktur basieren. Standard-Beispiele hierfür sind physikochemische Eigenschaften, Atom- und Bindungsanzahl etc. (Abschnitt 4.2.1). CATS Deskriptoren, ein topologisches Pharmakophorkonzept, sind ebenfalls 2D-basiert (Abschnitt 4.2.2). Ein anderer Typ von Deskriptoren beschreibt Eigenschaften, die aus einem dreidimensionalen (3D) Molekülmodell abgeleitet werden. Der Erfolg dieser Beschreibung hangt sehr stark davon ab, wie repräsentativ die 3D-Konformation ist, die für die Berechnung des Deskriptors angewendet wurde. Eine weitere Beschreibung, die wir in unserer Arbeit eingesetzt haben, waren Fingerprints. In unserem Fall waren die verwendeten Fingerprints ungeeignet zum Trainieren von Neuronale Netzen, da der Fingerprintvektor zu viele Dimensionen (~ 10 hoch 5) hatte. Im Gegensatz dazu hat das Training von SVM mit Fingerprints funktioniert. SVM hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Methoden, dass sie in sehr hochdimensionalen Räumen gut klassifizieren kann. Dieser Zusammenhang zwischen SVM und Fingerprints war eine Neuheit, und wurde von uns erstmalig in die Chemieinformatik eingeführt. In Abschnitt 4.3 fokussiere ich mich auf die SVM-Methode. Für fast alle Klassifikationsaufgaben in dieser Arbeit wurde der SVM-Ansatz verwendet. Ein Schwerpunkt der Dissertation lag auf der SVM-Methode. Wegen Platzbeschränkungen wurde in den beigefügten Veröffentlichungen auf eine detaillierte Beschreibung der SVM verzichtet. Aus diesem Grund wird in Abschnitt 4.3 eine vollständige Einführung in SVM gegeben. Darin enthalten ist eine vollständige Diskussion der SVM Theorie: optimale Hyperfläche, Soft-Margin-Hyperfläche, quadratische Programmierung als Technik, um diese optimale Hyperfläche zu finden. Abschnitt 4.3 enthält auch eine Diskussion von Kernel-Funktionen, welche die genaue Form der optimalen Hyperfläche bestimmen. In Abschnitt 4.4 ist eine Einleitung in verschiede Methoden gegeben, die wir für die Auswahl von Deskriptoren genutzt haben. In diesem Abschnitt wird der Unterschied zwischen einer „Filter“- und der „Wrapper“-basierten Auswahl von Deskriptoren herausgearbeitet. In Veröffentlichung 3 (Abschnitt 7.3) haben wir die Vorteile und Nachteile von Filter- und Wrapper-basierten Methoden im virtuellen Screening vergleichend dargestellt. Abschnitt 7 besteht aus den Publikationen, die unsere Forschungsergebnisse enthalten. Unsere erste Publikation (Veröffentlichung 1) war ein Übersichtsartikel (Abschnitt 7.1). In diesem Artikel haben wir einen Gesamtüberblick der Anwendungen von SVM in der Bio- und Chemieinformatik gegeben. Wir diskutieren Anwendungen von SVM für die Gen-Chip-Analyse, die DNASequenzanalyse und die Vorhersage von Proteinstrukturen und Proteininteraktionen. Wir haben auch Beispiele beschrieben, wo SVM für die Vorhersage der Lokalisation von Proteinen in der Zelle genutzt wurden. Es wird dabei deutlich, dass SVM im Bereich des virtuellen Screenings noch nicht verbreitet war. Um den Einsatz von SVM als Hauptmethode unserer Forschung zu begründen, haben wir in unserer nächsten Publikation (Veröffentlichung 2) (Abschnitt 7.2) einen detaillierten Vergleich zwischen SVM und verschiedenen neuronalen Netzen, die sich als eine Standardmethode im virtuellen Screening etabliert haben, durchgeführt. Verglichen wurde die Trennung von wirstoffartigen und nicht-wirkstoffartigen Molekülen („Druglikeness“-Vorhersage). Die SVM konnte 82% aller Moleküle richtig klassifizieren. Die Klassifizierung war zudem robuster als mit dreilagigen feedforward-ANN bei der Verwendung verschiedener Anzahlen an Hidden-Neuronen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Deskriptoren zur Beschreibung der Moleküle berechnet: Ghose-Crippen Fragmentdeskriptoren [86], physikochemische Eigenschaften [9] und topologische Pharmacophore (CATS) [10]. Die Entwicklung von weiteren Verfahren, die auf dem SVM-Konzept aufbauen, haben wir in den Publikationen in den Abschnitten 7.3 und 7.8 beschrieben. Veröffentlichung 3 stellt die Entwicklung einer neuen SVM-basierten Methode zur Auswahl von relevanten Deskriptoren für eine bestimmte Aktivität dar. Eingesetzt wurden die gleichen Deskriptoren wie in dem oben beschriebenen Projekt. Als charakteristische Molekülgruppen haben wir verschiedene Untermengen der COBRA Datenbank ausgewählt: 195 Thrombin Inhibitoren, 226 Kinase Inhibitoren und 227 Faktor Xa Inhibitoren. Es ist uns gelungen, die Anzahl der Deskriptoren von ursprünglich 407 auf ungefähr 50 zu verringern ohne signifikant an Klassifizierungsgenauigkeit zu verlieren. Unsere Methode haben wir mit einer Standardmethode für diese Anwendung verglichen, der Kolmogorov-Smirnov Statistik. Die SVM-basierte Methode erwies sich hierbei in jedem betrachteten Fall als besser als die Vergleichsmethoden hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit bei der gleichen Anzahl an Deskriptoren. Eine ausführliche Beschreibung ist in Abschnitt 4.4 gegeben. Dort sind auch verschiedene „Wrapper“ für die Deskriptoren-Auswahl beschrieben. Veröffentlichung 8 beschreibt die Anwendung von aktivem Lernen mit SVM. Die Idee des aktiven Lernens liegt in der Auswahl von Molekülen für das Lernverfahren aus dem Bereich an der Grenze der verschiedenen zu unterscheidenden Molekülklassen. Auf diese Weise kann die lokale Klassifikation verbessert werden. Die folgenden Gruppen von Moleküle wurden genutzt: ACE (Angiotensin converting enzyme), COX2 (Cyclooxygenase 2), CRF (Corticotropin releasing factor) Antagonisten, DPP (Dipeptidylpeptidase) IV, HIV (Human immunodeficiency virus) protease, Nuclear Receptors, NK (Neurokinin receptors), PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), Thrombin, GPCR und Matrix Metalloproteinasen. Aktives Lernen konnte die Leistungsfähigkeit des virtuellen Screenings verbessern, wie sich in dieser retrospektiven Studie zeigte. Es bleibt abzuwarten, ob sich das Verfahren durchsetzen wird, denn trotzt des Gewinns an Vorhersagegenauigkeit ist es aufgrund des mehrfachen SVMTrainings aufwändig. Die Publikationen aus den Abschnitten 7.5, 7.6 und 7.7 (Veröffentlichungen 5-7) zeigen praktische Anwendungen unserer SVM-Methoden im Wirkstoffdesign in Kombination mit anderen Verfahren, wie der Ähnlichkeitssuche und neuronalen Netzen zur Eigenschaftsvorhersage. In zwei Fällen haben wir mit dem Verfahren neuartige Liganden für COX-2 (cyclooxygenase 2) und dopamine D3/D2 Rezeptoren gefunden. Wir konnten somit klar zeigen, dass SVM-Methoden für das virtuelle Screening von Substanzdatensammlungen sinnvoll eingesetzt werden können. Es wurde im Rahmen der Arbeit auch ein schnelles Verfahren zur Erzeugung großer kombinatorischer Molekülbibliotheken entwickelt, welches auf der SMILES Notation aufbaut. Im frühen Stadium des Wirstoffdesigns ist es wichtig, eine möglichst „diverse“ Gruppe von Molekülen zu testen. Es gibt verschiedene etablierte Methoden, die eine solche Untermenge auswählen können. Wir haben eine neue Methode entwickelt, die genauer als die bekannte MaxMin-Methode sein sollte. Als erster Schritt wurde die „Probability Density Estimation“ (PDE) für die verfügbaren Moleküle berechnet. [78] Dafür haben wir jedes Molekül mit Deskriptoren beschrieben und die PDE im N-dimensionalen Deskriptorraum berechnet. Die Moleküle wurde mit dem Metropolis Algorithmus ausgewählt. [87] Die Idee liegt darin, wenige Moleküle aus den Bereichen mit hoher Dichte auszuwählen und mehr Moleküle aus den Bereichen mit niedriger Dichte. Die erhaltenen Ergebnisse wiesen jedoch auf zwei Nachteile hin. Erstens wurden Moleküle mit unrealistischen Deskriptorwerten ausgewählt und zweitens war unser Algorithmus zu langsam. Dieser Aspekt der Arbeit wurde daher nicht weiter verfolgt. In Veröffentlichung 6 (Abschnitt 7.6) haben wir in Zusammenarbeit mit der Molecular-Modeling Gruppe von Aventis-Pharma Deutschland (Frankfurt) einen SVM-basierten ADME Filter zur Früherkennung von CYP 2C9 Liganden entwickelt. Dieser nichtlineare SVM-Filter erreichte eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit (q2 = 0.48) als ein auf den gleichen Daten entwickelten PLS-Modell (q2 = 0.34). Es wurden hierbei Dreipunkt-Pharmakophordeskriptoren eingesetzt, die auf einem dreidimensionalen Molekülmodell aufbauen. Eines der wichtigen Probleme im computerbasierten Wirkstoffdesign ist die Auswahl einer geeigneten Konformation für ein Molekül. Wir haben versucht, SVM auf dieses Problem anzuwenden. Der Trainingdatensatz wurde dazu mit jeweils mehreren Konformationen pro Molekül angereichert und ein SVM Modell gerechnet. Es wurden anschließend die Konformationen mit den am schlechtesten vorhergesagten IC50 Wert aussortiert. Die verbliebenen gemäß dem SVM-Modell bevorzugten Konformationen waren jedoch unrealistisch. Dieses Ergebnis zeigt Grenzen des SVM-Ansatzes auf. Wir glauben jedoch, dass weitere Forschung auf diesem Gebiet zu besseren Ergebnissen führen kann