Вторичная структура РНК

1. Вторичная структура РНК

2. Роль структуры РНК • Структурные РНК (тРНК, рРНК, мяРНК) • Регуляторные элементы в матричных РНК (аттенюация, антисмысловое взаимодействие, стабильность, копийность плазмид) • Вирусные РНК • Самосплайсирующиеся интроны

3. тРНК

4. Аттенюаторы Терминатор Пауза Терминация Антитерминация Рибосома Антиерминатор

5. Элементы вторичной структуры C A G A G A C G | | C G | G C G | | A U / \ G | A A \ / G C | | C G | | A U / \ / C C G C-A / | | A G-C-A-A-G G C A G-G-U-U-C | | U-G \ C G U | \ \ / A G C | | | U A U | | | C G U | | | A C G / A G A Петля-шпилька Выпячивание Внутреняя петля Спирали Множественная петля Псевдоузел

6. Представление вторичной структуры. "Спирали-Петли"

7. Представление вторичной структуры. "Скобочная структура" gggctaTAGCTCAGcTGGGAGAGCgcctgcTTtgcACgcaggagGTCtgcGGTTCGAtCCCgcatagctccaCCA ((((((( (((( )))) ((((( ))))) ((((( )))))))))))

8. Представление вторичной структуры. "Круговая диаграмма"

9. Представление вторичной структуры. "Круговая диаграмма"

10. Некоторые особенности Последовательность тРНК (около 70 нул.) допускает несколько сотен структур, а 5S рибосомная РНК – несколько тысяч Стуктура РНК принципиально неоднозначна:

11. Предсказание вторичной структуры • Перебор вариантов (жадные алгоримы) • Минимизация свободной энергии/Максимизация числа пар (Динамическое программирование) • Стохастические алгоритмы (Монте-Карло, генетические алгоритмы) • Поиск консервативных структур

12. A:U C:G G:C U:A G:U U:G A:U -0.9 -2.1 -1.7 -0.9 -0.5 -0.7 C:G -1.8 -2.9 -2.0 -1.7 -1.5 -1.5 G:C -2.3 -3.4 -2.9 -2.1 -1.9 -1.3 U:A -1.1 -2.3 -1.8 -0.9 -0.7 -0.5 -1.5 G:U -0.5 -1.9 -1.5 -0.7 -0.5 -0.5 -2.3 -3.4 -3.4 -1.5 U:G -0.7 -1.3 -1.5 -0.5 -0.6 -0.5 -1.5 -1.5 -2.3 -8.7 Свободная энергия элементов вторичной структуры.Спираль. 5' 3' G C C G G U G C A U 3' 5'

13. Свободная энергия элементов вторичной структуры.Петли Шпильки Выпячивания Внутренние петли и множественные петли

14. Динамическое программирование W(1,i+1)=max{ k-1 k k+1 W(1,i), - i+1 не спарено max( S1,k-1+Sk+1,I+1)} - i спарено с k k W1,k-1 Wk+1,i 1 L i i+1 I

15. Сервер Цукераhttp://bioinfo.math.rpi.edu/~zukerm/

16. Результаты

17. Пример выдачи результата

18. Проблемы • Разные таблицы энергии дают разные результаты • Сворачивание происходит в процессе синтеза в направлении 5'-3' • Конформация может меняться во времени и находить биологически значимую структуру, не обязательно с минимальной энергией

19. Еще проблемы • Неспаренные петли могут взаимодействовать и стабилизировать структуру (тРНК, рРнк) • Модифицированные основания могут препятствовать или способствовать образованию альтернативных стрктур • Взаимодействие с белками РНК, низкомолекулярными соединениями могут стабилизировать неоптимальную структуру

20. Поиск консервативных вторичных структур • Выравнивание последовательностей • Поиск компенсаторных замен и взаимно-комплементарных консервативных участков Компенсаторные замены: TGA C GCC G CAG T TTCGAtc TTCGAtt CCCC gca tgc tgc gca GGGG Примеры: тРНК, рРНК, РНК-аза Р, интроны I и II типа, некоторые регуляторные элементы

21. Кинетическая модель формирования вторчной структуры

22. – Gпетель kT Gспирали kT K+=  N e K-=  N e Константы скоростей K- K+

23. Формирование вторичной структуры в процессе синтеза Рост цепи

24. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 3 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 Кинетический ансамбль вторичной структуры тРНК CGA A U U U G C C G GG G C U G A U CUA A A G C G GGGCC G UAG A CCCGG CGAG U UA C G U A GCUC G C G AGA C G C G U G C G C G A U A U / G-5' 3' CGA A U U U G C C G G C A U G C GGCC A G UAG G AUGG CGAG U A UACC GCUC G UCGA C A AGA C U G G G C CG C C G C G U G C G 3'CA UUG-5' CGA A U U U G C C G G C A U G C GGCC A G UAG G AUGG CGAG G A UACC GCUC U UCGA C A AGA G U / G 3' CGGGGGUG-5' CGA A U U U G C C G G C A U G C 3'GGA G UAG CGAG G GCUC U 5'GUUGGGGGCGUA AGA 3'GAUU UCG UAG CGC CGAC G GCG GCUC U 5'GUUGGGG UA AGA 3' UAG CGAG G GCUC U 5'GUUGGGGGCGUA AGA

25. Низкобарьерные перестройки

26. Выводы • Проблема формирования вторичной структуры РНК – сложная комбинаторная и физическая задача • Результаты минимизации энергии не всегда дают биологически осмысленную структуру • Наилучшие результаты дает поиск консервативных структур