Компьютерный анализ генетических текстов - Александров А.А.
ISBN 5-02-004691-4
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим теперь моделирование марковского процесса структурных перестроек.Для этой цели используется метод Монте-Карло. Предположим, что предварительно рассчитано, что число потенциальных спиралей равно N. Пусть на некотором этапе процесса образована структура из m спиралей {Slt...,Sm}. Из этого состояния возможны следующие переходы: или образование одной из оставшихся спиралей SMtl,...,SN или, если по-линуклеотидная цепь еще не полностью синтезирована, удлинение ее на один нуклеотид. Константа скорости роста цепи по некоторым имеющимся данным зависит от последовательности ДНК, с которой идет транскрипция. Однако обычно при расчетах эта величина принимается постоянной и равной 30-50 с-1. Кинетические константы образования для оставшихся спиралей рассчитываются согласно формуле (6.2).После этого находим эффективную константу скорости перехода k-2k,. Номер перехода, т.е. номер образующейся спирали i, определяем, моделируя реализацию г случайной величины, равномерно распределенной на интервале [0,к] из условия
i-i 1
? к, < г < S к, .
i=i 1 i=i 1
Затем осуществляем соответствующий переход - образование i-й спирали или удлинение цепи.
Время перехода определяем также, пользуясь методом Монте-Карло. Моделируем случайную величину t, распределенную по закону Пуассона (6.3) с пара ;етром к. Реализация t этой случайной величины определяет время перехода. Затем счетчик реального времени увеличиваем на t с и переходим к следующему этапу уже с новым состоянием. Процесс прекращается по достижении заданного значения времени. Для получения распределения вероятностей марковский процесс структурных перестроек необходимо повторить достаточно большое число раз (М). Точность распределения-вероятностей можно оценить величиной 1/ М. Достаточно хорошую качественную картину можно получить при М=100 (точность =10%).Для более точных оценок можно использовать М=1000 (точность =3%).
Существенное отличие предложенного алгоритма от рассмотренных выше кинетических методов заключается в том, что анализируется время каждого перехода. Использование вероятностных методов для выбора реального времени позволяет проанализировать кинетику процесса.В результате рассчитывается кинетический ансамбль вторичных структур, статистические веса которых зависят от времени.
6.5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДСКАЗАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОГО АНСАМБЛЯ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР РНК
Анализ кинетики формирования вторичной структуры тРНК. Наиболее удобным объектом для проверки методов предсказания вторичных структур РНК являются транспортные РНК, вторичные структуры которых хорошо известны и экспериментально подтверждены. Рассмотрим для примера процесс образования вторичной структуры предшественника тРНКА1а из Bombix mori в процессе транскрипции. Молекула предшественника состоит из 98 нукле-
6'-GUUGGGGGCGUA
6'-CUU6GGC
GAUU У С С ОАО ССС ССАС С ССС„. CCUC....U
в
* и и с с с с
G С А и
V МАССГ AU6
а CCA С tfiAG 6
сисе и
6'-CUUCGCCCCCUA АСА
CGA A U
с0 с с с с
. G А и *, А С С
' сссссссис
С G A U A U
3' -СА UUC-Б'
Рис. 6.10. Кинетический ансамбль вторичных структур npe-tPHK из Bombyx тогу
а - формирование вторичной структуры в процессе роста цепи; б распределение вероятности по кинетическому ансамблю. Кривая L показывает рост полинуклеотидной цепи в зависимости от времени
отидов. В работе (Garber,Gage, 1979) экспериментально был исследован процесс синтеза и процессинга молекулы РНК и поэтому есть возможность сравнить теоретические и экспериментальные результаты.
Расчет показал (рис.6.10), что через 0,6 с после начала транскрип-
ции цепь состояла из 28 нуклеотидов, которые образовали вторичную структуру А, состоящую из одной спирали I. Эта спираль соответствует ТС - стеблю зрелой тРНК. Как видно из рис. 6.1C,б, эта структура -единственная возможная при данной длине РНК.
Примерно через 1,5 с цепь увеличилась до 6G нуклеотидов. В этот момент времени наиболее вероятно образование двух структур В и С (вероятности 0,36 и 0,24 соответственно ), причем структура С содержит спираль с антикодо'новой петлей. Хотя структура В более вероятна, но этот путь процессинга оказался тупиковый. Из рис. (6.10,6) видно, что вероятность образования этой структуры резко убывает. Спираль II распадается и образуется спираль III, т.е. происходит переход к структуре С. К этой структуре по мере роста цепи может достроиться спираль V и образуется трехспиральная структура D.
Длина цепи достигает 80 нуклеотидов примерно через 2 с после началя синтеза. Появилась возможность образоваться спирали IV. Таким образом, формируется структура Е, когда к структуре D пристраивается спираль IV. Возможен также другой путь процессинга - непосредственно из структуры С формируется структура F, соответствующая канонической структуре "клеверного" листа. Однако к этому моменту времени вероятность образования структуры F очень мала (0,12) и уступает вероятности образования структуры Е (0,18). По-видимому, этот прямой путь формирования вторичной структуры тРНК не является основным. Должны произойти значительные структурные перестройки, чтобы эта наиболее энергетически выгодная структура стала преобладающей. Заметим, что в это время существует довольно большое количество структур, маловероятных и поэтому не указанных на рис. 6.10.
