Компьютерный анализ генетических текстов - Александров А.А.
ISBN 5-02-004691-4
Скачать (прямая ссылка):
Основная идеяподхода. После того как были рассмотрены структурные условия, а также термодинамические параметры образования и распада спиральных участков, можно приступить к исследованию кинетики образования гторичной структуры РНК (Миронов и др., 1984; Mironov,Kister, 1986). Процесс образования вторичной структуры можно представить следующим образом. В каждый данный момент времени состояние вторичной структуры можно описать длиной полинуклеотидной цепи и набором образовавшихся топологически совместимых друг с другом спиральных участков. Тогда существуют две возможности для изменения состояния молекулы: во-первых, инициация и образование новой спирали и, во-вторых, удлинение цепи ча один нуклеотид (распад спирали можно не рассматривать как самостоятельную стадию, так как при этом увеличивается свободная энергия). Образование спирали, как уже отмечалось, представляет собой сложный многостадийный процесс, для описания которого необходимо рассчитать эффективную константу образования. Последовательность стадий элонгации цепи и образования спиралей и представляет собой процесс образования вторичной структуры. Задача состоит в том, чтобы наиболее адекватно описать этот процесс.
Представим пропзсс самоорганизации вторичной структуры РНК в виде цепи Маркова. В качество состояний системы будем оассматривать различные состояния молекулы. Переходы из одного состояния молекулы в другое соответствуют переходам в цепи Маркова. Переходные вероятности определяются соответствующими кинетическими константами. Таким образом, можно рассчитать последовательность структурных перестроек.Для исследования же кинетики образования вторичной структуры необходимо включить в рассмотрение время. Однако реальное время каждого перехода зависит не только от соответствующей кинетической константы, но и от множества других факторов.Например, от времени ожидания спонтанного распада ме-
шающей спирали. Поэтому предполагается, что время перехода является случайной величиной.
Поскольку в построенной марковской цепи переходы ооладают свойствами: стационарности (в к&т.дый момент времени вероятность перехода не
зависит от начала отсчета времени), ординарности (в каждый момент времени возможна только одна перестройка) и независимости от истории (вероятность перехода зависит только от текущего состояния системы и не зависит от того, каким образом образовалось это состояние), то время перехода - случайная величина t, распределенная по закону Пуассона:
f(t) = k.expv-kjt), (6.3)
где f(t) - плотность вероятности; к, - кинетическая константа i-ro перехода.
Теперь, когда определены состояния и вероятности переходов, марковский процесс перестроек вторичной структуры полностью определен. Такова общая идея подхода.
Алгоритм предсказания вторичной структуры. На первом этапе необходимо определить те кирпичики, as которых будет построена структура, т.е. выявить все возможные спиральные фрагменты. Здесь сразу возникает вопрос, что является критерием существования такого фрагмента? Можно ли ограничиться минимальной длиной, например три пары оснований в спи-рале? По-видимому, разумно использовать энергетический критерий и отбирать спирали, стабильность которых выше заранее заданной величины. Воспользуемся для этого таким критерием, как время жизни спирали. Существует отличная от нуля вероятность, что спонтанно раскроются последовательно все основания спирали. Среднее время этого процесса назовем временем распада спирали - toicn. Из формулы (6.1) это время оценивается величиной
/ТЭТ I иралн' "
Ч.с„-1-/Кр.сп.д-1/КкоЗХР(-вСс..
Варьируя величину tpaun, можно выбрать необходимее для каждого случая число анализируемых спиралей.
При выборе числа потенциальных спиралей можно предположить, что определяющую роль в процессе формирования структуры играют •./.¦сюлльные спирали, время жизни которых на порядок или больше превосходит анализируемый интервал времени. Эти спирали создают как бы каркас структуры, а легкоразрушаемые спирали достраивают структуру. Образование и распад этих слабых спиралей может происходить очень часто и быстро. Они подстраиваются к каркасу, и их вклад в свободную энергию не является решающим. Чтобы учесть это обстоятельство, целесообразно в марковском процессе рассматривать только относительно стабильные и прочные спирали, а затем к полученной вторичной структуре добавить топологически совместимые спирали.
При анализе совместимости спиралей указывалось, что частично совместимые спирали могут плавно перетекать одна в другую. Эти соображения позволили интерпретировать процесс формирования вторичной структуры как исключительно динамичный, в течение которого невозможно выделить статическую картину расположения спиралей. Все эти, вместе взятые, соображения приводят к мысли о том, что реально не существует постоянная и неизменная структура, а есть некий остов из прочных спиралей, к которым пристраиваются мелкие спирали. Быстрые образования и разрушения этих спиралей, а также перетекания спиралей создают впечатления, что молекулы "дышат". По-видимому, эти быстрые изменения вторичной структуры позволяют молекуле РНК более гибко выполнять свои биологические функции.
