Warum ist dieses Wissen wichtig? Weder für RNA noch für Proteine ist es bisher möglich, aus der Sequenz ab initio die 3D-Struktur vorherzusagen. Wertvolle Information liefert in beiden Fällen die Vorhersage der Sekundärstruktur, die erfolgreicher vorherbestimmt werden kann. Sie lernen im folgenden einen Algorithmus kennen, der in seiner Komplexität wesentlich über das hinausgeht, was im Text vorgestellt wurde. Falls Sie selbst bioinformatisch mit der Vorhersage von RNA-Sekundärstrukturen beschäftigen wollen, sollten Sie sich das Vienna-Package vornehmen. In dieser frei verfügbaren Programmbibliothek sind viele nützliche Routinen implementiert.
Bezug Diese Übungen ergänzen das Kapitel 18 "Vorhersage der Sekundärstruktur".  

Lernziel
Nach dem Bearbeiten der Übung sollten Sie
  • eine Vorstellung von der 3D-Struktur von RNA haben,
  • die vorgestellten Algorithmen zur 2D-Strukturvorhersage von RNA verstanden haben,
  • unterschiedliche Darstellungsarten interpretieren können.
 
   
Übung 2D_RNA_1  
Einer der anerkannt besten Algorithmen zur Sekundärstrukturvorhersage von RNA ist der von M. Zuker entwickelte. Dieser ist ebenfalls im Vienna-Package implementiert und per WEB verfügbar.
>2D_RNA_1
GCGAAUUUAGCUCAGUUGGGAGAGCGCCAGACUGAAGAUCUGGAGGUCCUGUGUUC
GAUCCACAGAAUUCGCACCA
Lassen Sie von diesem Server RNA-2D-Strukturen für die Sequenz 2D_RNA_1 vorhersagen.

Speichern Sie die Ergebnisse ab.

Um welche RNA handelt es sich?
 
Übung 2D_RNA_2  
     
  Betrachten Sie die 3D-Struktur eines Pseudoknotens. Möglicherweise hilft Ihnen auch die Darstellungsart Jmol auf dieser Seite.  
 

Weisen Sie nach, dass diese Struktur der Definition eines Pseudoknotens genügt.
Hinweise Verfolgen Sie den Verlauf des backbones und beachten Sie die folgende Definition eines Speudoknotens.  
     
Definition
Pseudoknoten
In einer Sekundärstruktur S kommt ein Pseudoknoten vor,
wenn es zwei Paare ( ri , rj ), ( rk , rl ) aus S gibt mit i < k < j < l

Hierbei bezeichnet ri das Nucleotid an Position i.
Bewerten Sie die Vorhersage der RNA-2D-Struktur für die Sequenz aus 1KAJ.
 
>Pseudoknot
GGCGCAGUGGGCUAGCGCCACUCAAAAGCCCG
 
  Benutzen Sie wiederum den oben eingeführten Server. Speichern Sie das Ergebnis lokal ab.  
     
Übung 2D_RNA_3  
     
  Eine Alternative zu Algorithmen, die auf dynamischer Programmierung beruhen, sind z. B. solche, die mit genetischen Algorithmen arbeiten. Diese sind im Gegensatz zu den erst genannten auch in der Lage, mit Pseudoknoten umzugehen. Ein Vertreter für ein derartiges Programm ist STAR. In der folgenden Abbildung finden Sie eine Ausgabe eines Programmlaufes.

 

  
  
I .........1.........2.........3.........4.........5.........6.........7......       freie
t 1234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456      Energie
e GCGAAUUUAGCUCAGUUGGGAGAGCGCCAGACUGAAGAUCUGGAGGUCCUGUGUUCGAUCCACAGAAUUCGCACCA    [kcal/mol]
r                               
1 ((.......)).................................................................       - 0.1
2 ..........(((..[[[[)))....]]]]..............................................       - 4.4
3 ((.......))((((((((.......)))).)))).........................................       - 5.3
4 .........((((........)))).(((((.......))))).................................       - 8.0
5 ((.......))[[[[...........(((((]]]]...))))).................................       - 8.4
6 ((.......))[[[[...........(((((]]]]...))))).....(((((.......)))))...........       -11.4
7 ((((((((...((((((.((......)).)))))).((((....)))).((((.......))))))))))))....       -15.5
8 (((((((..((((........)))).(((((.......))))).....(((((.......))))))))))))....       -17.0
RNA 1: Sekundärstrukturvorhersage für tRNA-Phe von Saccaromyces cerevisiae durch STAR.
Die Sekundärstruktur ist als Klammerausdruck notiert, ein Basenpaar ist jeweils durch eine öffnende und eine schließende Klammer markiert. Eckige Klammern kennzeichnen Pseudoknoten. Die Angaben für die erste Iteration definieren einen Hairpin-Loop, bestehen aus der Helix ( (r1, r11), (r2, r10)) und den ungepaarten Basen r3 ... r9 .
Nach van Batenburg, F.H.D., Gultyaev, A.P., Pleij, C.W.A. (1995) " An APL-programmed genetic algorithm for the prediction of RNA secondary structure" J. theor. Biol. 174:269-280; PubMed.
 
     
 
Interpretieren Sie die Ausgabe von STAR.

Machen Sie sich klar, dass die im Iterationsschritt 2 gefundene Lösung einen Pseudoknoten enthält.

Leiten Sie die 2D-Struktur ab, die im Iterationsschritt 8 gefunden wurde, und zeichnen Sie die Struktur.

Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit der dargestellten Sekundärstruktur und der Vorhersage aus Übung 2D_RNA_1.

  
 
Übung 2D_RNA_4  
In der folgenden Abbildung finden Sie die Sekundärstruktur der betrachteten tRNA. 
 
     
  2D_RNA_1  
     
RNA 2: Sekundärstruktur der tRNA Phe von Saccaromyces cerevisiae.

Auf den Code für die Notation modifizierter Basen wird hier nicht eingegangen.
 
     
 

Vergleichen Sie die Ergebnisse aus 2D_RNA_1 und 2D_RNA_3 mit der in Abbildung RNA 2 dargestellten Sekundärstruktur.
 
Alternative Berechnung

Benutzen Sie alternativ den Server, der von M. Zuker angeboten wird und lassen Sie alternativ für die Sequenz aus Übung 2D_RNA_1 die 2D-Struktur vorhersagen.

Vergleichen Sie die zwei von diesem Server alternativ vorhergesagten Strukturen.

Welche Vorhersage ist "korrekter"? 

Wie bewertet man die Vorhersagen im Hinblick auf "Korrektheit"?

  
     
Übung 2D_RNA_5  
Vergleichen Sie die Sekundärstruktur, die aus der 3D-Struktur von 1KAJ folgt mit der Vorhersage aus Übung 2D_RNA_2.
     

Was Sie jetzt verstanden haben sollten

 Die exakte Vorhersage der RNA-2D-Struktur ist enorm schwierig. Auch in dieser Anwendung werden mittlerweile MSAs verwendet, wie im Buch erläutert wird. Die Übungen haben gezeigt, dass sich unterschiedliche Strukturen nur gering in den Energiewerten (Scores) unterscheiden. Wie so häufig in bioinformatischen Anwendungen ist es hier erforderlich, Alternativlösungen vergleichend zu prüfen.