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3D Structure From 2D Microscopy Images Using Deep Learning

Résumé

Understanding the structure of a protein complex is crucial in determining its function. However, retrieving accurate 3D structures from microscopy images is highly challenging, particularly as many imaging modalities are two-dimensional. Recent advances in Artificial Intelligence have been applied to this problem, primarily using voxel based approaches to analyse sets of electron microscopy images. Here we present a deep learning solution for reconstructing the protein complexes from a number of 2D single molecule localization microscopy images, with the solution being completely unconstrained. Our convolutional neural network coupled with a differentiable renderer predicts pose and derives a single structure. After training, the network is discarded, with the output of this method being a structural model which fits the data-set. We demonstrate the performance of our system on two protein complexes: CEP152 (which comprises part of the proximal toroid of the centriole) and centrioles.

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vignette|Structure quaternaire de l'hémoglobine humaine. Deux sous-unités α et deux sous-unités β forment le tétramère fonctionnel de l'hémoglobine. Elles sont arrangées avec un enchaînement de type αβαβ. La structure quaternaire d'une protéine multimérique est la manière dont sont agencées les différentes chaînes protéiques, ou sous-unités, à l'état natif les unes par rapport aux autres. Ce qualificatif ne s'applique qu'aux protéines multimériques, c'est-à-dire ne contenant pas qu'une seule sous unité.
Apprentissage profond
L'apprentissage profond ou apprentissage en profondeur (en anglais : deep learning, deep structured learning, hierarchical learning) est un sous-domaine de l’intelligence artificielle qui utilise des réseaux neuronaux pour résoudre des tâches complexes grâce à des architectures articulées de différentes transformations non linéaires. Ces techniques ont permis des progrès importants et rapides dans les domaines de l'analyse du signal sonore ou visuel et notamment de la reconnaissance faciale, de la reconnaissance vocale, de la vision par ordinateur, du traitement automatisé du langage.
Protein complex
A protein complex or multiprotein complex is a group of two or more associated polypeptide chains. Protein complexes are distinct from multidomain enzymes, in which multiple catalytic domains are found in a single polypeptide chain. Protein complexes are a form of quaternary structure. Proteins in a protein complex are linked by non-covalent protein–protein interactions. These complexes are a cornerstone of many (if not most) biological processes.
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