编译 | 邓  可

审核 | 黄  锋

Part1摘要

今天给大家分享的是北京大学于2024年2月发表在Arxiv上的一篇论文:ProLLaMA:A Protein Large Language Model for Multi-Task Protein Language Processing。包括GPTx和LLaMA 2在内的大型语言模型(LLM)在多个自然语言处理(NLP)任务中取得了卓越的性能。在蛋白质序列构成蛋白质语言的前提下，在蛋白质语料库上训练的蛋白质大型语言模型(ProLLM)在从头生成蛋白质序列方面表现出色。然而，截至目前，与NLP中的LLM不同，没有ProLLM能够在蛋白质语言处理(PLP)领域的多个任务。因此当前ProLLM的固有局限性如下：(i)缺乏自然语言能力，(ii)指令理解不足，(iii)高培训资源需求。为了解决这些挑战，作者引入了一个框架，将任何普通的LLM转换为能够处理多个PLP任务的ProLLM。具体来说，该框架框架利用低秩自适应(LoRA)，并采用两阶段训练方法，从而解决上述挑战，其特点是通用性、低开销和可扩展性。通过在这个框架下的训练，作者提出了ProLLaMA模型，这是第一个已知的同时处理多个PLP任务的ProLLM。实验结果表明，ProLLaMA在无条件蛋白质序列生成任务中取得了最好的结果;在可控蛋白质序列生成任务中，ProLLaMA可以设计出具有所需功能的新型蛋白质;在蛋白质性质预测任务中，ProLLaMA在许多类别上都达到了接近100%的准确率，后两个任务是其他ProLLM无法达到的。

Part2模型概述

模型的总体架构包括三个部分：1）LLaMA2框架通过在UniRef50数据集上持续学习蛋白质语言，从而产生ProLLaMA；2）通过在指令数据集上进行指令微调，使得ProLLaMA能够进行多任务处理；3）通过在自定义的数据集上再次进行指令微调，使ProLLaMA能够扩展到更多任务，如蛋白质属性预测等。作者提出了一个两阶段的训练框架来实现多任务PLP的ProLLM。在第一阶段，作者利用一个预训练的通用LLM(如LLaMA2)来不断学习蛋白质语言，同时保持模型的自然语言知识。在第二阶段中，通过指令微调在多任务PLP数据集上进一步训练模型，以使模型具有PLP的指令跟随能力和多任务能力。值得注意的是，在这两个阶段中，作者采用了低秩自适应(LoRA)来降低参数量，使得模型的成本减少。其在第一阶段中防止灾难性遗忘，在第二阶段中增强可扩展性并降低训练成本。

模型ProLLaMA框架的整体概述如图所示：

在这里，作者使用因果语言模型(CLM)来训练LLM，给定一个接受训练的token序列x,CLM可以被概念化为基于前面的i-1个token来预测第i个token。因此使用CLM训练LLM的公式为：

微调可以看作是一个寻找参数变化的过程，原始参数W0，微调后参数为W，目标为找到ΔW=W-W0，假设ΔW是低秩的，则能被分解为两个低秩矩阵，ΔW=AB，则：微调目标从寻找ΔW变为寻找A和B矩阵。

微调目标从寻找ΔW变为寻找A和B矩阵。

因此，训练中涉及的参数数量从dh减少到r(d+h)，可训练参数数量的减少是相当显著的。在训练过程中，模型的原始参数被冻结，只有低阶适配器可训练。训练后，新获得的知识存储在低阶适配器中，即A和B。

Part3结果

首先作者将ProLLaMA模型与其他主流模型比较了从头生成蛋白质方面的能力，如图所示：

其中的评估指标的含义分别为：

pLDDT:衡量序列在结构上是否合理；

SC-Perp:衡量在结构无序区的合理性；

TM-score:生成序列与已知序列的结构相似性；

RMSD:从原子距离的角度反映结构相似性；

Hprob:同源性概率反映生成蛋白质与已知蛋白质同源的概率；

Ident:反映生成序列与已知序列的相似性。

可以看出作者的ProLLaMA在pLDDT、TM评分和RMSD指标上表现最佳，在SC-Perp中排名第二，表明ProLLaMA在从头蛋白质设计方面表现出色。

从头设计长且结构合理的蛋白质序列具有高度挑战性，因此，作者还做了对比实验，比较ProLLaMA与ESM-2模型在蛋白质序列长度变化时模型的效果。

可以看出，随着序列长度的增加，ProLLaMA生成的蛋白质的pLDDT不会降低，而是增加。相反，ESM2生成的蛋白质的pLDDT随着长度的增加而显著降低。这表明ProLLaMA能够捕获氨基酸之间的长程依赖性，而ESM2在长蛋白质序列的从头设计中面临困难。这些证明了ProLLaMA强大的序列生成能力，尤其是在生成长序列时具有更好的效果。

另外，在可控生成领域，ProLLaMA模型可以生成具有所需功能的蛋白质。

与其他模型的不可控生成相比，作者提出的模型在TM-score和H-Prob的值表明能生成具有所需功能的蛋白质。

在蛋白质功能预测方面，ProLLaMA的准确性也非常可观，对许多超家族的预测达到了接近100%的准确率。

Part4总结  

现有的ProLLM在蛋白质生成的单一任务中表现出色，但在多个任务中表现不佳。在这项工作中，作者引入了一个有效的训练框架，将任何一般的LLM转换为多任务ProLLM。我们还开发了ProLLaMA，一个多功能的ProLLM，用于多个任务，例如可控蛋白质生成以及蛋白质属性预测。实验表明，ProLLaMA的效果非常好。

参考资料

文章链接：https://arxiv.org/abs/2402.17156

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