Использование ЭВМ в молекулярной биологии. Введение в теорию генетических текстов - Соловьев В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Наиболее общий случай повторов представляют повторы с деле-циями и вставками. Оценка вероятности возникновения таких повторов для случайных последовательностей предложена в работе Гоад и Канехисы /134/.
_ (i ~ В) \ т тп
V(m> *, 9и = --j—j—. ,-Р (1-?) .
* (m-Z)1. к!
Здесь тп - число совпадающих позиций двух участков повтора; к - число несовпадающих нуклеотидов; 5, - число нуклеотидов, делетированных в одном участке; s - число нуклеотидов, делегированных в другом участке.
57
Однако до настоящего времени не разработано достаточно эффективного алгоритма для нахождения таких повторов в последовательностях большой длины.
3.4. Методы поиска вторичной структуры РНК
Одним из важных свойств РНК является способность к формированию вторичной структуры (ВС), образуемой набором двойных спиралей и петель /135, 136/ (рис. 28).
Рис. 28. Модель вторичной структуры мРНК иммуноглобулина кролика,рассчитанная при поиске структуры с наименьшей энергией комплементарного спаривания оснований
ВС играет определяющую функциональную роль в таких молекулах, как тРНК и рРНК /3/. Так, например, известная клевероподобная структура тРНК необходима дая опознования тРНК амино-ацилсинтетазой и рибосомой в цроцессе трансляции /2/. Матричные РНК также могут формировать стабильную ВС, которая, как считают, играет оцределенную роль в регуляции скорости трансляций см. 23) в защите РНК от нуклеазной деградации /ГОб/, а . также в цроцессе сплайсинга /106/. функционально важными могут быть не одна, а несколько альтернативных ВС, реализующихся при функционировании РЖ.
Для выяснения роли ВС в перечисленных процессах необходимы теоретические методы определения ВС молекул РНК по их первичной структуре.
3.4.1. Вторичная структура РНК. ВС мояекул РНК образуется набором взаимно комплементарных участков РНК, образующих двойные спирали. Между спиралями располагаются одноцепочечные петли /138/. Двойные спирали образуются комплементарными парами А - V и G - С . Кроме того, во внутренних районах спиралей
100.
58
допускается образование G- V пар /139/. Существуют цра-вала стереохимической защищенности противоречащих друг другу спиралей (рис. 29»а) и так называемых узлов (рис. 29,6) /140/.
Рис. 29. Стереохимически запрещенные элементы вторичной структуры: а - две конкурирующие спирали; б - узловая структура .
а б
Эти правила позволяют любую ВС молекулы РЖ Bf , В z ,
..., Ъп длины л представить на плоскости в виде планарного графа G = {л t А} /141/. Здесь N - множество вершин храфа мощности л , каждая из которых соответствует определенному нуклеотиду в последовательности; А - матрица ребер, элементы которой определяются следующим образом: а^ = I (т.е. вершины соединены в графе ребром), если соответствующие нуклеотиды I и j спарены; а ц = 0 в противном случае. Матрица А имеет следующие свойства (рис. 30):
1) а'ц=0, а/г,1 + е = о(цри л- jt, 1=1^3);
2) для любого фиксированного i а .< l ^ л) имеется единственное j (1 * j 4 л) такое, что coij = 4 ;
3) если со - = =4 и » < к < j , то f, < i < j ,
Первое правило отражает минимальный размер шпилечной петли (3 н.п.), которая может образовываться в молекуле РЖ /138/. Второе и третье цравила соответствуют приведенным выше стерео-химическим запретам.
Существует несколько способов цредставления ВС на плоскости /142 - Г44/. Наиболее распространенный способ приведен на рис. 31. Здесь показаны спирали и четыре типа петель, это шпилечная петля (Н), боковая петля (В), внутренняя петля (I) и разветвленная (или сложная) петля (М) /142/.
59
\3
*?2
aV s aA* * 1 :
.fi ® '
i <k<j
Рис. 30. Особенности графа, соответствующего вторичной структуре РНК. I - каздый нуклеотид может быть спарен только с одним из оставшихся нуклеотидой; 2 - размер шпилечной петли не может быть меньше трех нуклеотидов; 3 - запрещены пере-секавдиеся связи, приводящие к узловым структурам .
<р В.|— Ву
u | | Рис. 31. Графическое цредставление ВС
молекулы РНК. 5-спиральный участок; в7.{ В - боковая петля; Н - шпилечная петля;
I - внутренняя петля; JI - разветвленная . (сложная) петля.
02 - On. 2
В, — Вг,., \
В'
Методы нахождения ВС можно разделить на четыре группы. К первой относятся те, которые основаны на поиске наиболее низкоэнергетических ВС /138 - 159/. Вторая группа включает модели самоорганизации ВС /130 - 162/. Третья объединяет контекстные подхода, основанные на поиске неслучайных групп инвертированных повторов и комплементарных палиндромов /163 - 165/. Наконец, в четвертую группу попадают подходы, основывающиеся на эволюционной консервативности ВС в группах родственных молекул РЖ /Юб/.
3.4.2. Методы поиска низкоэнергетических ВС РНК. Идеология данного подхода заключается в том, что осуществляется поиск вторичной структуры, отвечающей минимуму свободной энергии молекулы, которая, как предполагается, реализуется in vivo .
Очевидно, что основной вклад в энергию ВС вносят комплементарные взаимодействия пар А-Т и &-С. Поэтому саше первые алгоритмы по расчету ВС - это алгоритмы нахождения конфигурации РЖ, содержащей максимальное количество комплементарных пар /145, 146/.
