Genomic Foundation Models (GFMs), such as Evolutionary Scale Modeling (ESM), have demonstrated significant success in variant effect prediction. However, their adversarial robustness remains largely unexplored. To address this gap, we propose SafeGenes: a framework for Secure analysis of genomic foundation models, leveraging adversarial attacks to evaluate robustness against both engineered near-identical adversarial Genes and embedding-space manipulations. In this study, we assess the adversarial vulnerabilities of GFMs using two approaches: the Fast Gradient Sign Method (FGSM) and a soft prompt attack. FGSM introduces minimal perturbations to input sequences, while the soft prompt attack optimizes continuous embeddings to manipulate model predictions without modifying the input tokens. By combining these techniques, SafeGenes provides a comprehensive assessment of GFM susceptibility to adversarial manipulation. Targeted soft prompt attacks induced severe degradation in MLM-based shallow architectures such as ProteinBERT, while still producing substantial failure modes even in high-capacity foundation models such as ESM1b and ESM1v. These findings expose critical vulnerabilities in current foundation models, opening new research directions toward improving their security and robustness in high-stakes genomic applications such as variant effect prediction.


翻译:基因组基础模型(GFMs),如进化尺度建模(ESM),已在变异效应预测中展现出显著成效。然而,其对抗鲁棒性在很大程度上尚未得到探索。为填补这一空白,我们提出SafeGenes:一个用于安全分析基因组基础模型的框架,通过利用对抗攻击来评估模型对工程化近同源对抗基因和嵌入空间操纵的鲁棒性。在本研究中,我们采用两种方法评估GFMs的对抗脆弱性:快速梯度符号法(FGSM)和软提示攻击。FGSM对输入序列引入微小扰动,而软提示攻击则通过优化连续嵌入来操纵模型预测,无需修改输入标记。通过结合这些技术,SafeGenes为GFMs对对抗操纵的敏感性提供了全面评估。定向软提示攻击导致基于掩码语言建模的浅层架构(如ProteinBERT)性能严重下降,即使在高容量基础模型(如ESM1b和ESM1v)中仍产生显著的失效模式。这些发现揭示了当前基础模型的关键脆弱性,为提升其在变异效应预测等高风险基因组应用中的安全性与鲁棒性开辟了新的研究方向。

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