Novel machine learning approaches for improving structural discrimination in cryo-electron tomography

用于改善冷冻电子断层扫描结构辨别的新型机器学习方法

基本信息

  • 批准号:
    10620355
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32.67万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-06-10 至 2025-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary Cellular cryo-electron tomography (Cryo-ET) has made possible the observation of cellular organelles and macromolecular complexes at nanometer resolution with native conformations. The rapid increasing amount of Cryo-ET data available however brings along some major challenges for analysis which we will timely ad- dress in this proposal. We will design novel data-driven machine learning algorithms for improving structural discrimination and resolution. In particular, we have the following specific aims: (1) We will develop a novel Autoencoder and Iterative region Matching (AIM) algorithm for marker-free alignment of image tilt-series to re- construct tomograms with improved resolution; (2) We will develop a saliency-based auto-picking algorithm for better detecting macromolecular complexes, and combine it with an innovative 2D-to-3D framework to further improve structure detection accuracy; (3) We will design an end-to-end convolutional model for pose-invariant clustering of subtomograms. This model will produce an initial clustering which will be refined by a new subto- mogram averaging algorithm that automatically down-weights subtomograms of noise and little contribution; (4) We will perform experimental evaluations by using previously reported bacterial secretion systems and mito- chondrial ultrastructures datasets to improve the final resolution. Implementing algorithms in Aims 1-3, we will develop a user-friendly open-source graphical user interface -tom to directly benefit the scientific community. -tom will be systematically compared with existing software including IMOD, EMAN2, and Relion on simulated and benchmark datasets. To facilitate distribution, -tom will be integrated into existing software platforms Sci- pion and TomoMiner. Our data-driven algorithms and software not only will facilitate and accelerate the future use of Cryo-ET, but also can be readily used on analyzing the existing large amounts of Cryo-ET data to im- prove our understanding of the structure, function, and spatial organization of macromolecular complexes in situ.
项目摘要 细胞冷冻电子断层扫描(Cryo-ET)使观察细胞器和 带有天然构象的纳米分辨率下的大分子复合物。迅速增加的数量 但是,可用的Cryo-ET数据带来了一些主要的分析挑战 穿上这个建议。我们将设计新颖的数据驱动机器学习算法,以改善结构 歧视和解决方案。特别是,我们具有以下特定目的:(1)我们将开发出小说 自动编码器和迭代区域匹配(AIM)算法,用于图像倾斜系列的无标记对齐 构建具有改进分辨率的断层图; (2)我们将开发一种基于显着的自动选择算法 更好地检测大分子复合物,并将其与创新的2d-3d框架结合起来 提高结构检测准确性; (3)我们将设计姿势不变的端到端卷积模型 亚图表的聚类。该模型将产生初始聚类,该聚类将由新的Subto-to-将 mography平均算法自动减轻噪声的亚图和贡献很少的算法; (4) 我们将通过使用先前报道的细菌分泌系统和Mi​​to-进行实验评估 软骨超结构数据集以改善最终分辨率。在AIMS 1-3中实施算法,我们将 开发一个用户友好的开源图形用户界面-TOM,以直接受益于科学界。 -TOM将与现有软件(包括IMOD,EMAN2和RISION)的现有软件进行系统的比较。 和基准数据集。为了促进分销,-TOM将集成到现有的软件平台中 派和Tomominer。我们的数据驱动算法和软件不仅会促进和加速未来 使用冷冻-ET,但也可以很容易地用于分析现有的大量冷冻数据以进行 证明我们对大分子复合物的结构,功能和空间组织的理解 原位。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Deep Active Learning for Cryo-Electron Tomography Classification
  • DOI:
    10.1109/icip46576.2022.9898002
  • 发表时间:
    2022-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Tianyang Wang;Bo Li;Jing Zhang;Xiangrui Zeng;Mostofa Rafid Uddin;Wei Wu;Min Xu
  • 通讯作者:
    Tianyang Wang;Bo Li;Jing Zhang;Xiangrui Zeng;Mostofa Rafid Uddin;Wei Wu;Min Xu
End-to-end robust joint unsupervised image alignment and clustering.
Poly(A)-DG: A deep-learning-based domain generalization method to identify cross-species Poly(A) signal without prior knowledge from target species.
  • DOI:
    10.1371/journal.pcbi.1008297
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Zheng Y;Wang H;Zhang Y;Gao X;Xing EP;Xu M
  • 通讯作者:
    Xu M
Harmony: A Generic Unsupervised Approach for Disentangling Semantic Content from Parameterized Transformations.
Few-shot learning for classification of novel macromolecular structures in cryo-electron tomograms.
  • DOI:
    10.1371/journal.pcbi.1008227
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Li R;Yu L;Zhou B;Zeng X;Wang Z;Yang X;Zhang J;Gao X;Jiang R;Xu M
  • 通讯作者:
    Xu M
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