Компьютерный анализ генетических текстов - Александров А.А.
ISBN 5-02-004691-4
Скачать (прямая ссылка):
Наша задача - попытаться понять правила игры или правила отбора структур. В первое время для выбора наилучшей структуры использовался критерий комплементарности - преимуществом обладала структура с наибольшим числом комплементарных пар оснований. Затем правила отбора усовершенствовались, и на следующем этапе исследования вторичной структуры РНК в качестве критерия стали использовать свободную энергию. Стратегия поиска и отбора вторичных структур может быть различна.
В этой главе рассматриваются основные алгоритмы предсказания вторичных структур РНК. Можно выделить четыре основных подхода: 1) комби-
наторный, в котором просчитывают различные варианты взаимного расположения спиралей; 2) индуктивный, в котором используются методы динамического программирования; 3) кинетический, в котором пытаются моделировать процесс формирования вторичной структуры РНК; 4) филогенетический и ферментативный, при помощи которого из различных экспериментальных данных и сопоставления результатов анализа гомологичных РНК определяют спиральные участки во вторичной структуре.
6.2. ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР РНК
Условия совместимости спиралей. Возможные элементы вторичной структуры РЖ представлены на рис.6.1. Двутяжевый спиральный участок, или для краткости спираль, состоит из нескольких комплементарных пар, в которых нуклеотиды образуют классические Уотсон - Криковские A-U и G-C связи, а также G-U связь.Наличие G-U связи было экспериментально установлено, правда, при этом нужно учитывать, что связь между этими нуклеотидами непрочная и пара G-U может находится только внутри спирали, стабилизируемая стэкинг взаимодействиями соседей. Одноцепочечные участки характеризуются тремя типами петель и свободными З'и 5' концами цепи.
Р и с. 6.1. Возможные элементы вторичной структуры РНК
I - петля-шпилька;
II - спиральный участок;
III - внутренняя петля;
IV - боковая петля
Рассмотрим теперь условия совместного существования спиральных фрагментов во вторичной структуре.Условия топологической совместимости спиралей представленны на рис. 6..2, а. В этом случае спирали могут одновременно полностью присутствовать в структуре. Нет очевидных топологических препятствий и для образования спиралей, изображенных на рис.6.2,б, однако практически во всех теоретических исследованиях не допускается образования такой узловой структуры. Это связано прежде всего с ее явной энергетической невыгодностью. Действительно, для образования такого узла необходимо соблюдение очень жестких требований к пространственному расположению нуклеотидов, что крайне невыгодно скажется на энтропийном вкладе в свободную энергию.
Анализ вторичной структуры показал, что возможно и другое взаимное расположение спиралей (Studnicka et al., 1978; Миронов, Кистер, 1989). При этом, как нетрудно убедиться из рис.6.3, обе спирали могут одновременно существовать, но только одна из них или обе будут не полными. Как видно иэ рисунка, часть оснований одной спирали комплементарна основаниям другой спирали, поэтому с равной вероятностью в структуре могут присутствовать пары или одной, или другой спирали. Этот переход изоэнергетический, поскольку замена на эквивалентную пару не влияет ни на энергию спирального участка, ни на энергию неспирального фрагмента.
Рис. 6.2. Два типа возможных расположений топологически полностью совместимых спиралей
а - расположение спиралей в структуре; б - узловая структура
О
<даг
У
Рис. 6.3. Расположение топологически совместимых спиралей I и II, при котором, однако, они не могут полностью одновременно находится в структуре
а - в потенциальных спиралях I и
II (отмечены стрелками) часть нуклеотидов комплементарны нуклеотидам другой спирали; б - одновременное существование двух спиралей I и II, разделенных "блуждающей" боковой петлей
Б' — GCUGGCAACCCUCCUGCUUGCGCCAGC -
«_г<- гг II
Т
I II с
5' — С-С-и-С-С-С-А-А-С-С/ 3' — C-G-A-C-C-C U-U-С-Сч
С-С U-
I
II
6' — G-C-U-C-G-C-A-A-G-C'' 3' — C-G-A-C
U
•чи
Vfo6-u-“-c-6W
1 II Сч
5' — G-C-U-G-G-C-A-A-G-C''
3* — C-G-A-C^C^G-U-U-C-Gx^^
Понятно, что такие переходы возможны только если сохраняется часть спирали, т.е. остается неизменной структура петель. При сосуществовании двух подобных спиралей между ними образуется флуктуирующая, скользящая петля. При замене пары из одной спирали на пару из другой спирали петля перемещается, и спирали как бы перетекают друг в друга (рис.6.3,6).
Возможность сосуществования в структуре подобных спиралей и постоянных переходов между ними является очень важным обстоятельством и заставляет по-новому рассматривать вторичную структуру РНК. По-видимому, нельзя теперь представлять ее как статический набор спиралей со строго фиксированными параметрами. Наличие вторичной структуры РНК предполагает постоянный динамический процесс с непрерывно изменяющимися спиральными участками. Возможно, эта одна из причин трудностей при кристаллизации этой, как бы дышащей, молекулы.
