RNA Sekundärstruktur

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1 R Sekundärstruktur Dipl. Math. Isabelle Schneider niversität öttingen Institut für Mikrobiologie und enetik bteilung für Bioinformatik (niversität öttingen) 1 / 40

2 Themen der Vorlesung 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 2 / 40

3 Themen der Vorlesung R 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 3 / 40

4 Themen der Vorlesung R Motivation 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 4 / 40

5 R Varianten R Motivation mr (messenger R) : Übermittlung der genetischen Information, tr (transfer R) : Transport von minosäuren, rr (ribosomale R) : Katalyse verschiedener Reaktionen, hnr (heterogene Kern-R) : Vorstufe von mr bei Eukaryoten, snr (small nuclear-r) : verantwortlich für die enzymatische Spaltung von hnr, micror : dient der Feinregulation des Wachstums in Zellen, etc. (niversität öttingen) 5 / 40

6 Struktur als Hinweis R Motivation Primärstruktur-Informationen nicht ausreichend für Funktion (TTT) Räumliche Struktur (Tertiärstruktur) beeinflusst die Funktionalität Bei nichtkodierenden Rs Strukturinformationen stärker konserviert als Sequenzinformationen Ähnliche Struktur = Ähnliche Funktionalität (niversität öttingen) 6 / 40

7 R Motivation Strukturbestimmung kontra Strukturvorhersage Bestimmung der Sequenz wird immer einfacher: Didesoxymethode nach Sanger (Kettenabbruch-Synthese) Pyrosequenzierung Sequenzierung durch Hybridisierung Seit 1995 wurden über 150 Organismen sequenziert. Bestimmung der räumlichen Struktur sehr mühsam: uclear Magnetic Resonance Spectroscopy (MR), x-ray Kristallographie, Enzymatische Strukturerprobung, etc. Es werden verstärkt Methoden zur Strukturvorhersage entwickelt. (niversität öttingen) 7 / 40

8 Themen der Vorlesung R rundlagen 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 8 / 40

9 R Bausteine R rundlagen denin uanin O H ytosin racil O H (niversität öttingen) 9 / 40

10 R Watson-rick Basenpaarungen rundlagen H H ytosin H H O H H 3 racil O H H Zucker O H H H uanin H Zucker Zucker H O denin H H Zucker (niversität öttingen) 10 / 40

11 Wobble Basenpaarungen R rundlagen H H O racil Zucker O H H O H H uanin H Zucker (niversität öttingen) 11 / 40

12 R rundlagen Elemente einer R Sekundärstruktur Helikale Struktur Haarnadel-Schleife usbuchtung Interne Schleife Multiple Schleife (niversität öttingen) 12 / 40

13 R rundlagen (niversität öttingen) 13 / 40

14 R rundlagen Tertiärstruktur vers Sekundärstruktur Primärstruktur: Schema Sekundärstruktur: Schema Tertiärstruktur: (niversität öttingen) 14 / 40

15 R rundlagen Tertiärstruktur vers Sekundärstruktur Methanococcus marapaludis Rase P R g g g g u a a g u g g g g g c u g c c c a u a c c c c c g a u a u c g (niversität öttingen) 15 / 40

16 Vorhersage einer Sekundärstruktur Themen der Vorlesung 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 16 / 40

17 Vorhersage einer Sekundärstruktur Themen der Vorlesung Trivialer nsatz 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 17 / 40

18 ussinov Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Bestimme die Struktur mit den meisten Basenpaaren! Problem: Biologisch nicht begründet Beliebige Kombinationen möglich Berücksichtigt nicht die unterschiedliche Bedeutung von Basenpaaren (niversität öttingen) 18 / 40

19 Vorhersage einer Sekundärstruktur Themen der Vorlesung Exkurs: Freie Energie 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 19 / 40

20 Freie Energie Vorhersage einer Sekundärstruktur Exkurs: Freie Energie Freie Energie : Die durch eine chemische Reaktion benötigte oder durch diese freigesetzte Energie. Einheit: kcal pro Mol > 0 für Reaktionen, die Energie benötigen < 0 für Reaktionen, die Energie abgeben Die Stabilität einer Struktur wird durch die Menge der abgegebenen Energie bestimmt. (niversität öttingen) 20 / 40

21 Vorhersage einer Sekundärstruktur Themen der Vorlesung Optimale Struktur 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 21 / 40

22 Optimale Struktur Vorhersage einer Sekundärstruktur Optimale Struktur Suche die energetisch günstigste Konformation, d.h. die Struktur mit der niedrigsten freien Energie. Reaktionen mit < 0 (stabilisierend) Bildung von Basenpaaren Stapelung von Basenpaaren Energiewerte Reaktion mit > 0 (destabilisierend) Initialisierung der Faltung Erhalt ungebundener Strukturen (z.b.: Schleifen, usbuchtungen etc.) abhängig von der Strukturart und ihrer Länge (niversität öttingen) 22 / 40

23 Rechenaufwand Vorhersage einer Sekundärstruktur Optimale Struktur Je niedriger die freie Energie, umso stabiler ist die Sekundärstruktur. Wie bestimmt man die optimale Sekundärstruktur? Berechne die freie Energie einer jeden möglichen Struktur. Wähle diejenige Struktur für die gilt: minimal. Problem: nzahl möglicher Strukturen hängt exponentiell von der Länge der Sequenz ab. Effizienter lgorithmus ist erforderlich: Dynamische Programmierung (niversität öttingen) 23 / 40

24 Vorhersage einer Sekundärstruktur Optimale Struktur Bedeutung Suboptimaler Strukturen Problem: Eine R-Sequenze kann mehrere gleichwertige Strukturen besitzen! Biologisch optimale Struktur Stuktur mit niedrigster freier Energie (?) Berechnung der optimalen Struktur ist nicht ausreichend. Lösungsansatz: Berechne neben der optimalen auch suboptimale Strukturen. ewinne richtige Struktur durch z.b. Vergleich innerhalb von Sequenzfamilien. (niversität öttingen) 24 / 40

25 Vorhersage einer Sekundärstruktur Themen der Vorlesung Software 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 25 / 40

26 Software Vorhersage einer Sekundärstruktur Software Mfold Michael Zuker Bestimmt Struktur mit der niedrigsten freien Energie Bestimmt suboptimale Strukturen Vienna Paket Ivo L. Hofacker Bestimmt Struktur mit der niedrigsten freien Energie nach ähnlichem Verfahren wie mfold Option: Bestimme Matrix mit Bindungswahrscheinlichkeiten für jedes Basenpaar Bestimme Konsensstruktur eines lignments (niversität öttingen) 26 / 40

27 Vorhersage einer Sekundärstruktur Software Beispiel: Mfold boxplot_ng by D. Stewart and M. Zuker 2005 Washington niversity Fold of P at 37. Lower Triangle: Optimal Energy δ in Plot File = 9.3 kcal/mole Optimal Energy = kcal/mole < Energy <= kcal/mole < Energy <= kcal/mole < Energy <= kcal/mole pper Triangle Base Pairs Plotted: 697 plt22ps by D. Stewart and M. Zuker 2005 Washington niversity d = [initially ] P (niversität öttingen) 27 / 40

28 nwendungsbeispiele Themen der Vorlesung 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 28 / 40

29 Themen der Vorlesung nwendungsbeispiele Bsp: R lignment 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 29 / 40

30 R lignment nwendungsbeispiele Bsp: R lignment nsatz: reines Sequenzalignment ut geeignet bei sehr ähnlichen Sequenzen Versagt bei geringer Sequenzkonservierung ( 60%) nsatz: reines Strukturalignment och vorhandene sequenzielle Information wird ignoriert nsatz: Struktur-Sequenz-lignment usnutzung aller vorhandener Informationen ist gegeben Zeitaufwändig Speicherintensiv (niversität öttingen) 30 / 40

31 ktuelle Forschung nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Projekt von Prof. Backofen und Sven Siebert (niversität Freiburg) Programm für paarweisen R Sequenz-Struktur Vergleich Bestimmung ähnlicher lokaler Bereiche Information soll lignments verbessern Programm von Prof. Morgenstern (niversität öttingen) Dialign: Multiples Sequenzalignment Programm Option: Berücksichtigung vorab bekannter Informationen (nkerfragmente) (niversität öttingen) 31 / 40

32 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment lignment mit Dialign (niversität öttingen) 32 / 40

33 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment lignment mit Dialign (niversität öttingen) 32 / 40

34 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment lignment mit Dialign (niversität öttingen) 32 / 40

35 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment lignment mit Dialign (niversität öttingen) 32 / 40

36 Sequenzalignment nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Sequenzen: >vhud >vhu lignment (DILI format): >vhud guugg--gucaa- >vhu ag-aaccauuu-u lignment mit nkerpunkten: >vhud guugg--gucaacc--aac >vhu ag-aaccauuu-gguucu- (niversität öttingen) 33 / 40

37 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Dialign ohne nkerfragmente (niversität öttingen) 34 / 40

38 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Dialign ohne nkerfragmente (niversität öttingen) 34 / 40

39 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Dialign mit nkerfragmenten (niversität öttingen) 35 / 40

40 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment (niversität öttingen) 36 / 40

41 Themen der Vorlesung nwendungsbeispiele Bsp: ncr-vorhersage 1 R Motivation rundlagen 2 Vorhersage einer Sekundärstruktur Trivialer nsatz Exkurs: Freie Energie Optimale Struktur Software 3 nwendungsbeispiele Bsp: R lignment Bsp: ncr-vorhersage (niversität öttingen) 37 / 40

42 Vorhersage und Labor nwendungsbeispiele Bsp: ncr-vorhersage ncr-information liegt zwischen enen icht jeder intergene Bereich enthält automatisch ncr Identifikation von ncr im Labor ist zeitaufwändig ncr-vorhersage: Entferne alle ene aus einem enom Vergleiche intergene Bereiche zwischen mehreren enomen (Blast) Erzeuge lignment aus ähnlichen Kandidaten Bewerte rad an Strukturkonservierung zwischen Sequenzen im lignment (Rz) Verifikation der Vorhersage im Labor (niversität öttingen) 38 / 40

43 nwendungsbeispiele Bsp: ncr-vorhersage EDE (niversität öttingen) 39 / 40

44 Freie Energie für Basenpaarungen - Paare gem. Paare - Paare ,9-1, , ,9-1, , ,1-2, , ,1 Quelle: Benjamin Lewin, Molekularbiologie der ene back (niversität öttingen) 40 / 40