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首個知識與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅動的多物種生命基礎大模型GeneCompass

來源：泰然健康網時間：2025年06月01日 07:04

近年來，大語言模型（LLMs）已在自然語言處理、計算機視覺等通用領域引發(fā)了新一輪技術革命，進而通過與不同自然學科分支的融合形成了人工智能驅動的科學研究新范式。在生命科學領域，單細胞組學技術的突破產生了大量不同物種細胞的基因表達譜數(shù)據(jù)，形成了海量的生命“語料”。如果把基因表達值看作單詞，它們組合在一起就構成了細胞“句子”，進而形成了組織“段落”和器官“文章”，而不同物種可以看作生命“語種”。利用LLMs相關技術學習和理解這些生命“語料”，有望構建系統(tǒng)精準破解基因密碼的生命基礎大模型，探索生命普遍存在的基因調控機制，增進理解生命底層共性規(guī)律并創(chuàng)新各種重大疾病的診療手段。

中國科學院動物研究所、中國科學院自動化研究所、中國科學院計算技術研究所、中國科學院計算機網絡信息中心、中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院等組成多學科交叉研究團隊在生命科學人工智能（AI for Life Science）研究方面取得了重要突破，于2024年10月發(fā)表在生命科學領域頂級期刊Cell Research上。

論文建立了世界首個知識與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅動的多物種生命基礎大模型GeneCompass，同時處理了人類和小鼠兩個物種的轉錄組數(shù)據(jù)，包含了超過1.26億個單細胞并覆蓋3.6萬個基因，融合了啟動子序列、基因共表達關系、基因家族標注和基因調控關系等四種先驗知識。GeneCompass的參數(shù)量超過1.3億，實現(xiàn)了對基因表達調控規(guī)律的全景式學習理解，同時支持細胞狀態(tài)變化預測及多種生命過程的精準分析，展示了人工智能賦能生命科學研究的強大能力和巨大潛力。

模型架構：知識嵌入的生命基礎大模型GeneCompass

GeneCompass是國際上首個融入先驗知識的預訓練基礎大模型，發(fā)展了知識與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅動的新范式。GeneCompass采用gene2vec、DNABert等工具將啟動子序列、已知基因調控網絡、基因家族信息和基因共表達關系等四種生物學先驗知識進行編碼，在單細胞轉錄組的基因ID和表達值基礎上加入人類注釋信息編碼，提高了對生物數(shù)據(jù)間復雜特征關聯(lián)關系的理解。通過訓練整合了不同物種的數(shù)據(jù)信息及先驗知識，GeneCompass顯著提升了多種下游任務的性能，有望進一步提高傳統(tǒng)生物學研究的效率和精準性，為尚無法突破的復雜生命科學難題帶來新的切入點。

GeneCompass采用基于Transformer的深度學習架構，通過擴展傳統(tǒng)的掩碼語言模型Masked Auto Encoder（MAE）方式進行預訓練，根據(jù)單細胞轉錄組的上下文同時預測掩碼的基因ID及其表達值，捕獲不同基因之間在不同細胞背景下的長程動態(tài)關聯(lián)，通過多任務聯(lián)合預訓練形成更加細粒度的生命基礎大模型。預訓練完成后，GeneCompass進一步應用于多種下游任務，對單細胞轉錄組數(shù)據(jù)進行編碼，支撐細胞類型標注、基因擾動預測、藥物反應預測和基因調控關系預測等多種任務。

GeneCompass模型架構

規(guī)模效應：多物種聯(lián)合訓練捕獲生物共性進化保守規(guī)律

研究人員發(fā)現(xiàn)基于大規(guī)?？缥锓N數(shù)據(jù)的預訓練模型對于單物種的子任務符合尺度定律（scaling law）：即較大規(guī)模的多物種預訓練數(shù)據(jù)量較單一物種數(shù)據(jù)量產生更優(yōu)異的預訓練表征，并進一步提高下游任務的性能。這一發(fā)現(xiàn)顯示了物種間存在保守的基因調控規(guī)律，并且這些規(guī)律能夠被預訓練模型學習理解。這同時預示著隨物種和數(shù)據(jù)的擴展，模型性能有望進一步提升。

研究結果：GeneCompass具有跨物種表征能力

研究人員對人類和小鼠同一細胞類型（心肌細胞）中同源基因和非同源基因的GeneCompass編碼進行了相似性分析，可以看出相較于非同源基因，不同物種的同源基因具有更相似的編碼，同源基因在人類和小鼠之間也具有相似的基因調控關系。

研究人員將GeneCompass編碼后的基因嵌入與跨物種細胞類型標注的當前最優(yōu)方法CAME進行結合，發(fā)現(xiàn)在多種細胞尤其是視網膜細胞中，GeneCompass能夠顯著提升跨物種細胞類型標注的精度。這些結果都展示了GeneCompass通過多物種聯(lián)合預訓練獲得了生命底層的共性規(guī)律，增強了基因表征的能力。

在基因擾動預測、藥物反應預測、基因調控預測、藥物劑量反應預測、劑量敏感基因預測等多種下游任務中GeneCompass模型均展現(xiàn)出強大的功能。

綜上所述，作為迄今為止最大規(guī)模的、具有知識嵌入的跨物種預訓練生命基礎大模型，GeneCompass可實現(xiàn)多個跨物種下游任務的遷移學習，并在細胞類型注釋、定量基因擾動預測、藥物敏感性分析等多個任務中取得比現(xiàn)有方法更優(yōu)的性能。這充分展示了基于多物種無標注大數(shù)據(jù)預訓練，再利用不同子任務數(shù)據(jù)進行模型微調的策略優(yōu)勢，有望成為實現(xiàn)基因-細胞特征相關聯(lián)的各種生物問題分析預測的通用解決方案。

中國科學院自動化所劉國樂和江潔與合作單位的楊曉東、馮桂海、卜德超、王鵬飛、陳述白、楊沁蒙等為文章共同第一作者。自動化所楊戈研究員，劉靜研究員與合作單位李鑫研究員、陳益強研究員、李非研究員、周元春研究員、趙屹研究員為共同通訊作者。

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