AF3 superimpose函数解读

AlphaFold3 superimpose函数通过使用SVD最小化RMSD，将坐标叠加到参考上，在蛋白质结构预测中用于比较预测结构与真实结构的相似性。

源代码：

from src.utils.geometry.alignment import weighted_rigid_align
from src.utils.geometry.vector import Vec3Array
import torch


def compute_rmsd(tensor1, tensor2, mask, eps=1e-6):
    """Compute the RMSD between two tensors."""
    diff = tensor1 - tensor2
    squared_diff = diff ** 2
    sum_squared_diff = squared_diff.sum(dim=-1)

    # Mask out invalid positions
    sum_squared_diff = sum_squared_diff * mask

    # Average over valid positions
    denom = mask.sum(dim=-1) + eps
    mean_squared_diff = torch.sum(sum_squared_diff, dim=-1) / denom

    # Square root to get RMSD
    rmsd = torch.sqrt(mean_squared_diff + eps)
    return rmsd


def superimpose(reference, coords, mask):
    """
        Superimposes coordinates onto a reference by minimizing RMSD using SVD.

        Args:
            reference:
                [*, N, 3] reference tensor
            coords:
                [*, N, 3] tensor
            mask:
                [*, N] tensor
        Returns:
            A tuple of [*, N, 3] superimposed coords and [*] final RMSDs.
    """
    # To Vec3Array for alignment
    reference = Vec3Array.from_array(reference)
    coords = Vec3Array.from_array(coords)

    # Align the coordinates to the reference
    aligned_coords = weighted_rigid_align(coords, reference, weights=mask, mask=mask)
    aligned_coords = aligned_coords.to_tensor()
    reference = reference.to_tensor()
    # Compute RMSD
    rmsds = compute_rmsd(reference, aligned_coords)
    return aligned_coords, rmsds

代码解析

1. compute_rmsd 函数

功能： 计算两组坐标 tensor1 和 tensor2 之间的 RMSD，常用于比较蛋白质结构的相似性。

def compute_rmsd(tensor1, tensor2, mask, eps=1e-6):

• tensor1: 真实坐标 (ground truth) [*, N, 3]
• tensor2: 预测坐标 [*, N, 3]
• mask: 指定哪些坐标是有效的 [*, N]
• eps: 避免除零问题的小常数

步骤解析

diff = tensor1 - tensor2  # 计算两者的差值
squared_diff = diff ** 2  # 差值平方
sum_squared_diff = squared_diff.sum(dim=-1)  # 在最后一个维度 (3D) 上求和，即每个点的平方误差和

计算的是欧几里得距离的平方，形状 [*, N]。

sum_squared_diff = sum_squared_diff * mask  # 只保留mask中有效的坐标

屏蔽无效坐标（未对齐的或者不感兴趣的原子）。

denom = mask.sum(dim=-1) + eps  # 计算有效坐标数
mean_squared_diff = torch.sum(sum_squared_diff, dim=-1) / denom  # 计算均方误差

有效原子位置的均方误差（MSE）。

rmsd = torch.sqrt(mean_squared_diff + eps)  # 开方得到 RMSD

最终 RMSD 计算完成，返回的是 [ * ] 形状的张量，即每个样本的 RMSD 值。

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2. superimpose 函数

功能：

使用加权刚性对齐 (Weighted Rigid Alignment) 方法，通过奇异值分解 (SVD) 使预测坐标 coords 尽可能匹配 reference，然后计算 RMSD。

def superimpose(reference, coords, mask):

• reference: 真实的结构坐标 [*, N, 3]
• coords: 需要对齐的预测坐标 [*, N, 3]
• mask: 有效位置的掩码 [*, N]

步骤解析

reference = Vec3Array.from_array(reference)
coords = Vec3Array.from_array(coords)

这里 Vec3Array 是一个三维向量的封装类，使得操作更符合几何向量计算需求。

aligned_coords = weighted_rigid_align(coords, reference, weights=mask, mask=mask)

核心部分：

• weighted_rigid_align 是一个加权刚性对齐函数，使用SVD（奇异值分解）寻找最优旋转和平移 ，将 coords 与 reference 对齐。

• weights=mask 代表对对齐过程加权，仅使用有效坐标对齐。

  aligned_coords = aligned_coords.to_tensor()
  reference = reference.to_tensor()

将 Vec3Array 转回 PyTorch 张量，方便计算 RMSD。

rmsds = compute_rmsd(reference, aligned_coords)

• 计算对齐后的 RMSD，衡量对齐质量。

最终返回：

• aligned_coords: 对齐后的坐标
• rmsds: 对齐后的 RMSD 值

代码核心逻辑

1. compute_rmsd
   • 计算两组坐标的 RMSD（用于衡量预测误差）。
2. superimpose
   • 通过 SVD 进行刚性对齐，使预测结构尽量匹配真实结构。
   • 计算对齐后的 RMSD，评估对齐质量。

这两个函数主要用于蛋白质结构比对，常用于 AlphaFold3 这种结构预测模型的评估。