DNA和RNA

标签问题

好问题,而且这对于公平比较很重要。

✅ 在 DiscDiff 论文中,如何对不同物种进行训练?

他们训练了一个跨越所有物种的单一模型 —— 而不是每个物种一个模型

📌 论文中的说法:
“我们从15 个物种中收集了 160,000 个 DNA 序列……并在该数据集上训练了一个单一模型。”

这意味着:

  • VAE扩散模型 是在整个混合数据集上训练的,所有物种都被合并在一起。
  • 物种标签仅在条件生成实验中使用,在默认设置中不会被使用。

✅ 所以答案是:

问题 答案
他们是为每个物种训练一个模型吗? ❌ 不是
在默认训练期间,他们是否使用物种标签? ❌ 不,除非启用了条件生成
模型是否接触过混合物种的数据? ✅ 是 —— 所有物种同时进行训练

✅ 对于你自己的设置,建议如下

情景 建议设置
你有物种标签 训练一个包含所有数据的单一模型,可选择性地添加标签条件生成
你想要按物种生成 使用同一模型按标签生成,只需按标签过滤即可
你想要公平地评估每个物种 为每个物种分别评估(JSD、基序回忆率等)

你需要帮助在当前的扩散训练管道中启用物种条件生成吗?

对比实验处理

好的,以下是翻译成中文的内容:


太好了 —— 你正在询问如何公正地复现实验并使用自己的数据评估 DiscDiff 。以下是根据论文整理出的包含训练评估步骤的详细说明。


✅ 如果你有自己的 DNA 数据……

📦 假设你的数据集:

  • DNA 序列(例如:2048bp,采用 one-hot 编码或 ATGC 格式)。
  • 有或没有标签(例如:物种、组织等)。

🏗️ 第 1 步:训练 VAE

📌 目的:学习将 DNA 压缩到有意义的潜在向量中。

✅ 要做什么

  • 使用你的序列训练 VAE:

    loss = 重建损失 + β * KL 散度
    
  • 确保 VAE.encode(seq)潜在向量 z,并且 VAE.decode(潜在向量 z) → 接近原始 DNA。

✅ 输出

  • 一个预训练的 VAE(vae.pth),它将 DNA 映射到潜在空间。

🌀 第 2 步:训练扩散模型

📌 目的:学习从噪声中采样新的潜在向量 z

✅ 要做什么

  • 使用 VAE 对真实序列进行编码 → z
  • DD通过PM(去噪扩散概率模型)计划添加噪声 → z_t
  • 使用均方误差损失训练 U-Net 从噪声 z_t 中去噪并恢复到 z₀
loss = MSE(预测噪声, 真实噪声)

如果你有标签(例如:物种):

  • 将标签嵌入到 U-Net 中。
  • 作为条件 DDPM 进行训练。

🧪 第 3 步:生成序列以供评估

📌 现在生成合成序列并评估它们与真实序列的接近程度。

✅ 要生成多少?

每个标签生成相同数量的序列,与测试集中的数量一致。例如:

标签(物种) 真实序列数 生成数量
人类 10,000 10,000
小鼠 8,000 8,000

🔁 如果没有标签:生成约10 万个以匹配 DiscDiff 的设置。


📏 第 4 步:评估你的模型

使用与 DiscDiff相同的指标进行公平比较。

指标 描述
k-mer JSD 计算 k-mer 分布(例如:6-mer)并测量与真实的Jensen-Shannon 散度(JSD)
基序回忆率 使用已知 DNA 基序(例如:TATA-box);检查生成序列中匹配的百分比
条件准确性 如果是条件模型:训练分类器从序列中预测标签
重建准确性 从 VAE:它重建原始 DNA 的效果如何

你可以使用以下工具实现:

  • sklearn.metrics.jensenshannon
  • 基序工具(例如:Bio.motifs,MEME)
  • 序列分类器(例如:CNN)

✅ 总结:流程

表格| 步骤 | 输入 | 使用的模型 | 输出 | 备注 |
| ------------ | ------------------ | -------------- | --------------------------- | ------------------------------------ |
| VAE 训练 | 真实 DNA 序列 | VanillaVAE | vae.pth(z ↔ x) | 标准 VAE 损失 |
| 扩散模型 | VAE 生成的潜在向量 z | U-Net + DDPM | 训练好的去噪器 | 基于噪声的预测均方误差损失 |
| 生成 | 随机噪声 | DDPM + VAE | 合成序列 | 每个噪声 + 标签(如果是条件模型)生成一个序列 |
| 评估 | 生成序列 vs. 真实序列 | — | JSD,基序回忆率,准确性 | 按标签和总体进行比较 |


你需要一个可复现的评估脚本还是用于 JSD 和基序回忆率的指标工具包?

无lable引导

好的,这段内容的中文翻译如下:


非常棒的问题。根据您的代码结构和,以下是明确的答案:

✅ 该扩散模型是否使用标签(例如,物种)来指导生成?

❌ 不 — 您当前的扩散管道中没有使用任何标签条件。


📌 您代码中的证据

  1. 未向 U-Net 或调度器传递任何标签输入

    noise_pred = model(noisy_images, timesteps)
    

    没有传递任何 conditionlabel 参数。

  2. 未构建任何分类器自由引导或条件嵌入

  3. 生成管道DDPMDNAPipeline)中,只使用了 vae 和噪声调度器 — 再次说明,没有 label


🧠 若要实现条件扩散需要什么?

要使模型支持基于标签的条件生成,您需要:

步骤 需求
1️⃣ 创建标签嵌入(例如,物种 → 向量)
2️⃣ 将标签嵌入注入到 U-Net 中(例如,通过 FiLM、交叉注意力机制或拼接)
3️⃣ 使用真实的 (z, label) 对进行训练
4️⃣ 使用分类器自由引导(可选)

✅ 最终答案

  • 您当前的扩散模型是无条件的
  • 它仅基于潜在空间中的随机噪声生成序列。
  • 要支持基于标签的条件生成(例如,按物种生成),您需要修改训练和 U-Net 输入逻辑

您是否需要帮助修改此代码以支持条件扩散(例如,通过物种标签引导生成)?

如果您对翻译有任何疑问或需要进一步帮助,请随时告诉我!

diffuison训练模块

这段内容的中文翻译如下:


是的——这个脚本确实包含并训练了扩散模型。以下是清晰的分解,以回答您的问题并解释其工作原理:

✅ 该代码是否使用扩散?

✅ 是的,100%。这个脚本是扩散模型训练循环,在 VAE 预训练之后进行。

✅ 涉及哪些组件?

组件 是否使用 描述
VAE ✅ 是 已预训练。将 DNA 序列编码为潜在表示 z(类似图像的嵌入)。
Diffusion ✅ 是 潜在空间中训练一个DDPM(去噪扩散概率模型)。
U-Net ✅ 是 去噪网络。学习从潜在表示 z_tz_0 反转噪声。
Scheduler ✅ 是 使用 🤗 diffusers 中的 DDPMScheduler 来控制噪声计划。

✅ 扩散模型的训练方式(总结)

  1. 输入 DNAVAE.encode() → 采样得到潜在表示 z

  2. 使用调度程序向 z 添加高斯噪声

  3. 为每个样本随机采样一个时间步长 t

  4. 训练U-Net以预测添加的噪声 ε:

    noise_pred = model(noisy_images, timesteps)[0]
    loss = F.mse_loss(noise_pred, noise)
    
  5. 使用标准DDPM 损失优化 U-Net。


✅ 生成过程

在生成时(在 evaluate() 中):

  1. 从潜在空间的 N(0, I)采样噪声

  2. 使用 pipe() 运行逆向扩散过程,使用 U-Net。

  3. 获取去噪后的潜在表示 z₀,并使用:

    vae.decode(z₀) → DNA 序列(独热编码)→ 通过 `tensor_to_dna` 转换为字符串
    

✅ 最终总结

功能 是否使用于本脚本
训练 VAE ❌(仅加载预训练权重)
训练扩散模型(DDPM + U-Net) ✅ 是
使用高斯噪声计划 ✅ 是,通过 DDPMScheduler
从噪声中采样完整序列 ✅ 是
在 VAE 潜在空间中运行 ✅ 是

您是否需要展示 VAE + Diffusion 如何结合用于训练和生成的图表或流程图?

如果您对翻译的内容有任何疑问或需要进一步的帮助,请告诉我!

以下是关于 DiscDiff 训练逻辑的三个问题的清晰解答:

✅ 1. DiscDiff 在训练期间是否有两种损失(VAE + 扩散)?

是的,完全正确:

损失名称 适用部分 作用
VAE 损失 VAE 编码器和解码器 学习紧凑的潜在空间并重建输入序列
扩散损失 去噪网络 学习如何在潜在空间中将 z_t 去噪回 z

训练期间的总损失:

\[\mathcal{L}_{\text{total}} = \mathcal{L}_{\text{VAE}} + \mathcal{L}_{\text{Diffusion}} \]

✅ 2. 每种损失的目的是什么?

  • VAE 损失

    • 包括:

      • 重构损失(例如,输入和输出 DNA 序列之间的交叉熵)
      • KL 散度,将 q(z|x) 正则化为 N(0, I)
    • 🔍 作用:使编码器输出的潜在变量:

      • 信息丰富(便于解码回 DNA)
      • 类高斯分布(便于生成时的采样)
  • 扩散损失

    • 典型的评分匹配损失

\[\mathbb{E}_{z, \epsilon, t} \left\| \epsilon_\theta(z_t, t) - \epsilon \right\|^2 \]

  • 其中:

    • z_t = z + noise 是一个带噪的潜在变量
    • ε_θ 尝试预测添加的噪声
  • 🔍 作用:教会模型如何在潜在空间中去噪

    • 使得从纯噪声中生成序列成为可能

✅ 3. 使用的解码器是什么?它也是 VAE 的一部分吗?

是的,扩散之后使用的解码器是VAE 解码器

  • VAE 是一个标准的序列自编码器:

    • 编码器:将 DNA 序列映射到潜在 z
    • 解码器:将潜在 z 映射回 DNA 标记
  • 在扩散模型生成最终潜在向量 z₀ 后,该向量被传递给VAE 解码器以生成离散的 DNA 序列:

\[z_0 \xrightarrow{\text{VAE decoder}} \hat{x}_{\text{DNA}} \]

✅ 最终总结

问题 答案
训练中使用两种损失吗? ✅ 是 — VAE 损失 + 扩散损失
每种损失的作用是什么? VAE:潜在结构 + 重构;扩散:学习去噪
扩散后使用的解码器是什么? VAE 解码器,它将潜在 z₀ 映射到符号 DNA 序列

如果您希望查看完整的训练伪代码或可视化框图,请告诉我。

以下是对于 “z_t + 条件是否使用真实序列嵌入” 这一问题的精准回答的中文翻译:

很好的问题 — 下面让我们精准地回答它。

z_t + condition 是否使用真实序列嵌入

,在生成时不会 使用真实序列的嵌入。

让我们按 阶段 分解:

✅ 在训练期间

  • 您有真实序列 x(例如,“ATGCGT...”)。

  • 您使用 VAE 编码器x 进行编码 → 潜在向量 z

  • 然后您向 z添加噪声z_t

  • 训练扩散模型以在给定期条件(例如物种标签)的情况下对 z_t 去噪。

  • 所以在这里:

    • z_t 来自一个真实序列
    • 条件是物种标签
    • 训练损失 = 将 z_t 去噪 → 原始 z

是的,真实序列用于生成训练示例 z_t

🚫 在生成(推理)期间

  • 没有 任何真实序列。
  • 您采样随机噪声 z_T ~ N(0, I)
  • 您仅提供条件标签(例如,“智人”)。
  • 扩散模型仅使用标签(而不是任何序列)将 z_T → z₀ 去噪。
  • 然后将 z₀ 传递给 VAE 解码器 → 生成 DNA。

,这里 使用真实序列或它们的嵌入。

✅ 最终答案

阶段 是否使用真实序列嵌入? 解释
训练 ✅ 是 用于生成 zz_t 的真实序列
生成 ❌ 否 仅使用标签 + 随机噪声

如果您希望将其转换为伪代码或流程图,请告知我。

以下是关于 DiscDiff 训练和生成流程的详细解释的中文翻译:

您正在请求对 DiscDiff 中训练流程的清晰、结构化解释,特别是:

  • 真实序列扮演什么角色?
  • 每个模块(VAE、扩散)的作用是什么?
  • 条件生成是如何融入的(例如物种标签)?
  • 如何鼓励生成有意义的序列?

DiscDiff 训练 + 生成流程的逐步概述

步骤 组件 输入 输出 作用
1️⃣ 训练数据集 真实 DNA 序列(例如 16 万个) 序列 + 可选标签 数据基础:真实 DNA + 条件(例如物种)
2️⃣ VAE 编码器 DNA 序列(例如 2048 个碱基对) 潜在向量 z ∈ ℝ^d 学习能够编码 DNA 语义的连续潜在空间
3️⃣ 扩散(正向) 潜在 z + 随机噪声 带噪潜在变量 z_t 模拟损坏过程,以学习去噪过程
4️⃣ 扩散(反向) 带噪潜在变量 z_t + 条件 去噪后的潜在变量 z_0 学习如何逆转噪声并恢复有意义的潜在变量
5️⃣ VAE 解码器 去噪后的潜在变量 z_0 重建的 DNA 序列 将潜在变量解码回符号序列

✅ 训练目标(损失函数)

模块 损失函数 目标
VAE 重构损失 + KL 散度 确保 z 能够捕捉到有意义的 DNA 模式
扩散 去噪评分匹配损失:L2(ε_pred - ε_true) 学习如何对潜在表示去噪
(可选)无分类器引导 在训练期间对条件进行dropout 启用带条件的生成(例如物种)

✅ 条件生成解释

  • 训练时

    • 您使用 (序列,条件) 对进行训练,例如:
      • ("ATG...CGT", 智人)
      • ("GCA...TAA", 果蝇)
  • 推理(生成)时

    • 您采样随机噪声 z_T,并仅提供标签(例如 “智人”)。
    • 模型在生成过程中从未见过真实序列,仅从其潜在分布和训练期间的条件标签中学习。

✅ 关系总结

[真实序列] --(VAE 编码)--> [潜在 z]
       ↓                            ↓
[可选标签(例如物种)]   [z_t ~ 带噪潜在变量]

[潜在 z_t + 条件] --(扩散反向)--> [去噪后的 z_0] --(解码器)--> [生成的 DNA]

训练损失:VAE 损失 + 扩散去噪损失

✅ 如何确保生成序列为有意义的

  1. VAE 确保对真实序列的压缩 / 解压缩,因此潜在代码具有结构。
  2. 扩散学习对这些结构化的潜在代码去噪,而不仅仅是随机噪声。
  3. 条件标签注入物种特定的偏差,即使它们是可选的。
  4. 评估指标(基序召回率、分类器准确率) 验证生成的 DNA 是真实且符合条件的。

您需要一张总结这个架构的示意图吗?

评估

好的,以下是您提供的关于 DiscDiff 的内容的中文翻译:

感谢您的澄清。您问的是:

对于每个输入(例如,一个真实的序列或条件),会生成多少个序列,以及评估指标是针对每个序列计算还是在整个集合上计算?

✅ 生成粒度

DiscDiff 是一个潜在扩散模型,因此:

  • 在训练期间

    • 它使用许多真实的 DNA 序列来学习潜在分布。
    • 每个训练样本贡献一个潜在向量 z 和一个重构目标。
  • 在生成 / 推理期间

    • 您从先验分布中采样随机噪声(不是从特定输入中采样)。
    • 如果是条件生成,则需要提供类别标签(例如物种)作为输入。
    • 每次生成仅产生一个序列。

✅ 所以:1 个噪声向量 + 可选标签 → 1 个 DNA 序列

✅ 指标评估

指标是在整个生成序列集上进行评估,而不是针对单个样本:

指标 计算范围...
k-mer JSD 整个生成集与真实集之间
基序召回率 所有生成序列中的匹配数与真实序列中的匹配数之间
条件分类器 AUC/acc 具有该标签的所有生成序列

示例:

如果您生成了 10 万个序列(例如,针对 “智人”):

  • k-mer JSD 是在全部 10 万个生成序列与真实人类序列之间计算的。
  • 基序召回率检查 TATA - 框等在整个 10 万个生成序列中出现的频率。
  • 分类器准确率检查预训练模型从 10 万个生成序列中预测出 “智人” 的频率。

✅ 总结

  • 1 个输入噪声向量 → 1 个 DNA 序列
  • 评估不是针对单个序列,而是在整个生成数据集上进行聚合

如果您需要我帮助为自己的 DNA 序列模型复制这样的评估代码,请告诉我。


您正在使用独热编码序列(长度补全为 2048)训练一个变分自编码器(VAE),用于DNA序列重建 。以下是详细说明:


📌 任务:

DNA序列自编码

  • 输入: 形状为 [B, 2048, 4] 的独热编码序列,其中 B 是批量大小,2048 是补全后的长度。

  • 目标: 通过潜在嵌入重建相同的序列,即 reconstructed ≈ original(重建序列近似于原始序列)。

  • 架构:

    • 编码器:DNAEncoder → CNN(卷积神经网络)模块 → DiagonalGaussianDistribution(学习均值和标准差)
    • 解码器:z ~ N(μ, σ) → CNN → DNADecoder
    • 模型学习对 DNA 序列进行压缩和重建。

🔍 损失函数

loss = cross_entropy + β * KL

这是一个VAE 损失函数,由以下部分组成:

组件 描述
重建损失 cross_entropy_prob(predicted, input) → 对 4 种核苷酸的软独热编码交叉熵
KL 散度 dist.kl().sum() — 学习后的后验分布与标准高斯分布之间的 KL 散度
β (kld_weight) StepBetaScheduler 中逐渐增加的 KL 权重,随训练轮数增加而变化

⚠ 注意:未对填充位点进行掩码处理,因此模型将填充的 N(即 [0.25, 0.25, 0.25, 0.25])视为真实数据处理。


🧠 总结

组件 作用
VanillaVAE 压缩和重建填充后的 DNA 序列
任务 长 DNA(2048 个标记)的去噪自编码
输入 填充后的独热编码序列,形状 [B, 2048, 4]
输出 同样形状;模型对其进行重建
损失 交叉熵 + KL 散度
β 调度器 在训练过程中逐渐增加 KL 项

您需要这个模型流程的视觉块图吗?

如果您还需要其他内容的翻译或有进一步的问题,请随时告诉我!

数据读取

好的,这段内容的中文翻译如下:


是的——这行代码:

dataset = OHEDataset(data_path=self.data_path)

调用了 OHEDataset 类的构造函数,该类定义如下:

class OHEDataset(Dataset):
    def __init__(self, data_path, transform=None):
        self.data_path = data_path
        self.transform = transform

        self.labels = torch.load(self.data_path)
        print(f"data loaded!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!{self.labels.shape}")

这里发生了什么?

🔹 步骤分解:

  1. self.data_path 指向一个 .pt.pth 文件(即序列化的 PyTorch 张量文件)。

  2. torch.load(self.data_path) 将该文件读取到 self.labels 中。

    • 期望该文件包含一个形状为 [N, 2048, 4] 的张量,其中:

      • N:序列数量(如 39,783)
      • 2048:序列长度
      • 4:A、U、G、C 的独热编码向量
  3. 数据集以整个张量作为其存储后端。

  4. 数据集在 __getitem__ 中返回 self.labels[index],这是一个形状为 [2048, 4]torch.Tensor


🧪 .pt 文件中有什么?

.pt 文件可能是这样创建的:

all_encoded = []  # [2048, 4] 张量列表
for seq in rna_sequences:
    vec = one_hot_encode(seq, max_len=2048)
    all_encoded.append(vec)

data_tensor = torch.stack(all_encoded)  # 形状:[N, 2048, 4]
torch.save(data_tensor, "rna_sequences.pt")

因此,torch.load("rna_sequences.pt") 提供了您在 OHEDataset 中使用的内容。


🔍 总结

行代码 操作
dataset = OHEDataset(data_path=self.data_path) self.data_path 处的张量文件加载到内存中
self.labels = torch.load(...) 张量形状 [N, 2048, 4]
__getitem__ 返回形状为 [2048, 4] 的单个 RNA 序列张量
DataLoader 将其批量化为 [B, 2048, 4]

您需要一个从 FASTA 序列或 RNA 字符串生成此类 .pt 文件的代码片段吗?

如果您有其他问题或需要进一步的翻译帮助,请随时告诉我!

好的,下面是这段内容的中文翻译:


是的——大小为 torch.Size([39783, 2048, 4]) 的张量具有以下解释:

张量形状解释

维度 大小 含义
[0] 39783 RNA序列数量(样本数)
[1] 2048 序列长度(每个序列的位点数)
[2] 4 每个核苷酸的通道 — 独热编码

详细含义

每个序列表示为一个 2048 × 4 的矩阵:

  • 对于 2048 个核苷酸位点中的每一个,4 维向量是核苷酸 A/U/G/C 的 独热编码软概率 向量:

    • [1, 0, 0, 0] → A
    • [0, 1, 0, 0] → U
    • [0, 0, 1, 0] → G
    • [0, 0, 0, 1] → C
    • [0.25, 0.25, 0.25, 0.25] → “N” 或未知碱基(如果使用)

所以:

  • dataset[i] 是形状为 [2048, 4] 的张量
  • 整个数据集中包含 39783 个这样的序列

在模型中的使用

您的模型期望输入形状为 [B, 2048, 4] — 当您使用 DataLoader 批量加载数据时,这与之完全匹配。


您想解码并可视化一个序列以确认它是有效的 RNA 吗?

请问您对翻译内容是否满意?如果您还有其他问题或需要进一步的帮助,请随时告诉我。

区别

RNA的核苷酸与抗体链的残基存在以下区别:

组成成分

  • RNA的核苷酸 :由核糖、磷酸和含氮碱基组成,含氮碱基包括腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。
  • 抗体链的残基 :由氨基酸组成,每种氨基酸都有特定的侧链基团,赋予抗体链不同的化学性质和结构特征。

连接方式

  • RNA的核苷酸 :通过 3'→5' 磷酸二酯键连接形成 RNA 链。
  • 抗体链的残基 :通过肽键连接形成多肽链,进而折叠形成具有复杂三维结构的抗体分子。

结构与功能

  • RNA的核苷酸 :RNA 为单链结构,可通过自身折叠形成局部双螺旋、突起、发夹环等二级结构,其功能多样,如 mRNA 作为蛋白质合成的模板,tRNA 在蛋白质合成中转运氨基酸,rRNA 构成核糖体的组成部分并催化肽键形成。
  • 抗体链的残基 :抗体链的残基通过特定的排列顺序和空间结构形成抗原结合位点,能够特异性地识别和结合相应的抗原,发挥免疫防御作用。

稳定性

  • RNA的核苷酸 :RNA 中的核糖在 2' 位有一个羟基,使得 RNA 容易受到碱水解,稳定性较低。
  • 抗体链的残基 :抗体分子由氨基酸组成,相对更稳定,但在某些条件下也可能发生变性或降解。

遗传信息

  • RNA的核苷酸 :RNA 的核苷酸序列携带遗传信息,用于指导蛋白质合成。
  • 抗体链的残基 :抗体链的残基序列是由遗传信息编码的,但其本身不携带遗传信息。

RNA的核苷酸和抗体链的残基的基本单位都可以看作是分子。在生物学中,分子是具有特定结构和功能的化学单位。RNA的核苷酸是由核糖、磷酸和含氮碱基组成的分子,而抗体链的残基是由氨基酸组成的分子。

posted @ 2025-05-05 04:23  GraphL  阅读(59)  评论(0)    收藏  举报