如何将生物序列tokenization为token？

原理讲解

tokenization是自然语言处理领域非常成熟的一项技术，tokenization就是把我们研究的语言转换成计算机能够识别的数字——token。

在生物领域，如何把核苷酸或氨基酸序列tokenization成token呢？

我们可以使用k-mer技术： k-mer指的是将k个序列单元作为一个滑动窗口，从第一个序列单元开始扫描，提取出序列中的k-mer。然后我们再对k-mer建立索引。

如下图所示，我们采用了3-mer窗口将“AGCACT”每次滑动1个碱基。

k-mer技术有两个可选值：窗口大小k值和k-mer的滑动步长

为什么不使用one-hot编码和直接将AGCT编码为1 2 3 4进行序列的tokenization呢？而且这样占用的内存要小很多。

原因在于：功能序列一般都是多核苷酸或多氨基酸，k-mer技术可以将一段序列表示为1个数字，模型记住1个数字要比记住k个数字容易的多。

代码实现：利用k-mer技术把核苷酸或氨基酸序列tokenization成token

def seq2kmer(file_dir, k):
    """
    将file文件中的序列转换为 kmers，滑动步长固定为1
    :param file_dir: 原始序列文件路径
    :param k: 自定义窗口大小
    :return:
    """

    """读取示例数据，由于示例数据是多行的，为了避免换行符对结果产生影响，需要将多行字符串转换为单行字符串。"""
    with open(file_dir) as object:
        contents = object.read()

    seq = contents.replace('\n', '')  # contents.replace('\n', '') 将换行符全都去掉，将行与行紧密相连。

    kmer = [seq[x:x + k] for x in range(len(seq) - k + 1)]
    kmers = " ".join(kmer)  # .join(kmer) 将列表kmer连接成一个字符串，kmer之间用空格分隔。
    """输出1：将转换为的的kmers保存到txt文本中。"""
    with open(f"{k}mers_{file_dir}", "w") as object:
        object.write(kmers)

    from itertools import product
    nucleotides = 'ACGT'
    """生成所有kmers"""
    kmers_all = [''.join(combination) for combination in product(nucleotides, repeat=k)]  # 使用itertools.product生成所有可能的组合
    """输出2：穷举生成所有kmers，并保存到txt文本中。"""
    with open(f"{k}mers_all.txt", "w") as object:
        contents = str(kmers_all)
        object.write(contents)

    """输出3：将file_dir文件的kmers索引写入txt文本"""
    index = [kmers_all.index(seq[x:x + k]) for x in range(len(seq) - k + 1)]
    with open(f"index_{k}mers_{file_dir}", "w") as object:
        object.write(str(index))


# 使用示例数据运行seq2kmer
k = 6
seq2kmer("acrA.txt", k)

输入文件和结果文件

注意：以上代码暂未将[CLS]分类token、[PAD]填充token、[UNK]未知token、[SEP]分句token和[MASK]掩码token(“[]” 也是token的一部分)加入到词汇表中

谢谢阅读