From Tomasz Żok

BioinformatykaStrukturalna2: AlgorytmyPrzewidywaniaStrukturyDrugorzędowejRNA

Motywy strukturalne

• Stem (((())))
  
• Hairpin ((.....))
  
• Bulge (((((((())))..))))
  
• Internal loop ((((...(((())))..))))
  
• 3-way junction ((((...((())).....((()))..))))
  
• 4-way junction ((((...((())).....((()))..(()).........))))
  
• Pseudoknot ...[[..((((..]]....))))..
  
• Kissing loops ((((..[[..))))((((..]]..))))
  

Wizualizacja struktury drugorzędowej

VARNA

1. Uruchom VARNA, zobaczysz dwie wczytane domyślnie struktury
2. Zapisz strukturę "User file #2" we wszystkich wspieranych formatach (prawy przycisk myszy → Save as)
3. Spróbuj "chwycić" i przeciągnąć fragment dwuniciowy
4. Zaznacz dowolny fragment struktury (kliknij w dowolnym miejscu i trzymając przycisk myszy zaznaczaj... tak jak ikony na pulpicie :)). Zwróć uwagę jak to jest pokazane w polu z sekwencją i strukturą
5. Dodaj wszystkie automatyczne adnotacje (prawy przycisk myszy → Annotations → Auto...)
6. Zaznacz wizualnie jedno z ramion pętli I2 zawierające: H3, I4, H4 oraz T1 (prawy przycisk myszy → Annotations → New → Region)
7. Pokaż strukturę we wszystkich dostępnych metodach rysowania (prawy przycisk myszy → Redraw → Algorithm → ...)
8. A teraz dodaj parowania między pętlą T1 (nukleotydy AIA) oraz T2 (nukleotydy IAC). W tym celu zmień wartość w polu ze strukturą drugorzędową z kropek na odpowiednie nawiasy zamykające i otwierające. Jakie nawiasy będą odpowiednie i dlaczego?
9. Ponownie narysuj strukturę we wszystkich czterech sposobach wizualizacji. Jak dodanie trzech par z poprzedniego punktu wpłynęło na wynik, w szczególności dla algorytmu Linear oraz Circular?

PseudoViewer

1. Wejdź na stronę z formularzem PseudoViewer
2. Narysuj motywy Pseudoknot oraz Kissing loops przedstawione wyżej na stronie (skopiuj dot-bracket do pola Structure; sekwencja jest nieistotna w tym ćwiczeniu, możesz wpisać jedną literę A w polu Sequence, to wystarczy)
3. Zastąp pseudowęzły niesparowanymi resztami (w miejsce nawiasów kwadratowych wpisz kropki) i wygeneruj grafiki ponownie
4. Spróbuj także z poniższą większą strukturą i porównaj wyniki z grafikami rysowanymi przez VARNA:
   CAGCACGACACUAGCAGUCAGUGUCAGACUGCAIACAGCACGACACU
   AGCAGUCAGUGUCAGACUGCAIACAGCACGACACUAGCAGUCAGUGU
   CAGACUGCAIA
   .[(((((...(((((...(((((........(((((...(((((..]
   ..)))))...)))))..................))))).....))))
   )...)))))..
   

   [$[Get Code]]
5. Zasymuluj "braki" w strukturze. Przełącz typ wejścia na PseudoViewer input type. Jest to format kropkowo-nawiasowy, w którym można przeplatać na zmianę pary linii sekwencja-struktura. Jeśli linie poprzedzone są numerem, to na wygenerowanej grafice nukleotydy mają nowe numerowanie. Sprawdź przykład:
   1 CCUUACCUCGGGUAGAGGCCCA
   1 (((......)))..(())....
   120 CCUUACCUCGGGUAGAGGCCCA
   120 (((......)))..(())....
   

   [$[Get Code]]

forna

1. Wyświetl wizualizację struktury z VARNA (User file #2) przy użyciu programu forna.
   Uwaga! Wymagana jest zamiana litery I w sekwencji na inną np. A
2. Wypróbuj różne opcje kolorowania i wyświetlania
3. Wyświetl również wizualizację struktury kompleksu RNA-białko np. 4TZP

Przewidywanie struktury drugorzędowej na podstawie sekwencji

• Jeden z pierwszych powszechnie wykorzystywanych algorytmów do przewidywania struktury drugorzędowej zaproponowała Ruth Nussinov (link do publikacji z 1980 roku)
• Opierał się on na metodzie programowania dynamicznego
• Dla zadanej sekwencji, algorytm odnajduje maksymalną liczbę parowań A-U oraz G-C
• Algorytmów do przewidywania struktur drugorzędowych jest obecnie bardzo dużo. Przykładowe to:
  • RNAstructure - jest to cały pakiet programów o nieco różnym przeznaczeniu np. ProbKnot wyznacza progi prawdopodobieństwa parowania się dwóch nukleotydów wliczając w to interakcje typu pseudowęzła
  • mfold - działa w oparciu o reguły termodynamiczne odnajdując struktury o minimalnej energii swobodnej
• Warto też sprawdzić stronę CompaRNA, która zawiera rankingi metod do przewidywania struktur drugorzędowych
• CompaRNA opiera się na liście znanych struktur drugorzędowych i na automatycznym uruchamianiu wszystkich wspieranych metod
• Wyniki są następnie porównywane parami ze strukturą referencyjną i oceniane jest ich podobieństwo
• Oczywiście większość metod do przewidywania struktur posiada zestawy parametrów do ustalenia, a CompaRNA działa tylko na domyślnych wartościach. Mimo to CompaRNA oferuje bardzo przydatny i możliwie obiektywny (bo automatyczny) ranking metod do przewidywania struktur drugorzędowych

Napisz program, który przetworzy plik wejściowy w formacie BPSEQ i wypisze wszystkie motywy typu stem. Każdy motyw ma być opisany w jednej linii jako para liczb - indeksów początku i końca licząc od strony 5'.

Przykład: (1EHZ-2D-bpseq.txt)

$ ./program.py input.bpseq
1 7
10 13
27 30
49 53

[$[Get Code]]