Вторичная структура РНК

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

тРНК

Аттенюаторы Терминация Антитерминация Пауза Терминатор Антиерминатор Рибосома

C 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 Элементы вторичной структуры Петля-шпилька Внутреняя петля Выпячивание Множественная петля Спирали Псевдоузел

Представление вторичной структуры. "Спирали-Петли"

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

Представление вторичной структуры. "Круговая диаграмма"

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

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

A:UC:GG:CU:AG:UU:G A:U C:G G:C U:A G:U U:G Свободная энергия элементов вторичной структуры. Спираль. G C C G G U G C A U 5' 3' 3' 5'

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

Динамическое программирование I i+1 i k-1kk+1 W k+1,i W 1,k-1 W(1,i+1)= max{ W(1,i), - i+1 не спарено max( S 1,k-1 +S k+1,I +1 ) } - i спарено с k k L 1

Сервер Цукера

Результаты

Пример выдачи результата

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

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

Поиск консервативных вторичных структур Выравнивание последовательностей Поиск компенсаторных замен и взаимно- комплементарных консервативных участков tgc gcaGG TTCGAtc TTCGAttCC gca tgc Компенсаторные замены: T G A C G C C G C A G T Примеры: тРНК, рРНК, РНК-аза Р, интроны I и II типа, некоторые регуляторные элементы

Кинетическая модель формирования вторчной структуры

Константы скоростей K+K+ K-K- K + = N e – G петель kT K - = N e G спирали kT

Формирование вторичной структуры в процессе синтеза Рост цепи

3' UAG CGAG G GCUC U 5'GUUGGGGGCGUA AGA 3'GAUU UCG UAG CGC CGAC G GCG GCUC U 5'GUUGGGG UA AGA 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 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 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 U G C G 3'CA UUG-5' 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 U G C G A U / G-5' 3' Кинетический ансамбль вторичной структуры тРНК

Низкобарьерные перестройки

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