Компьютерный анализ генетических текстов - Александров А.А.
ISBN 5-02-004691-4
Скачать (прямая ссылка):
Из результатов анализа вторичных структур РНК видно, что при помощи машинного эксперимента можно объяснить и главное предсказать величину экспрессии, а также другие биологические свойства РНК.
6.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методы предсказания вторичных структур РНК получают большое расг ространение в молекулярной биологии и генной инженерии. Анализ вторич ных структур позволяет объяснить многие биологические явления.Первона чально при определении структуры подсчитывалось число Уотсон - Криков-ских пар и выбиралась Структура с наибольшим числом спаренных оснований. Позже с появлением термодинамических параметров, характеризующих вклад в свободную энергию различных комплементарных пар, а также одноцепочечных участков - петель, появилась возможность выбрать в качестве критерия свободную энергию, причем на новом этапе снова были использованы те же подходы - перебор, методы динамического программирования и кинетический алгоритм.
В качестве метода отбора оптимальной структуры в подавляющем большинстве случаев используется метод динамического программирования. Это позволяет перебрать в обозримое машинное время огромное число вариантов и выбрать одну оптимальную структуру. Недостатком этого подхода является то обстоятельство, что рассчитанная единственная структура может только на доли килокалорий отличаться от худших, которые будут
отброшены р процессе отбора.Понятно, что при неточном знании термодинамических параметров выбор энергетически наиболее оптимальной структуры может оказаться ошибочным. Эти соображения заставили значительно изменить этот алгоритм и в результате появилась возможность получать не только оптимальную, но и структуры, близкие к ней по значению.
Многочисленные экспериментальные наблюдения за процессом образования вторичной структуры показали, что молекула РНК в процессе самоорганизации может принимать различные формы, причем эти вторичные структуры формируются с различной вероятностью. На возможность образования различных структур для биологических молекул и соответственно существование различных биологических функций у этих молекул указал еще 1975 г. Том (Thom, 1975). Он назвал такие структуры резонансными. Эти соображения подсказывают, что для объяснения биологических функций РНК целесообразно анализировать процесс образования молекулы. В ряде работ делались попытки такого подхода.
Однако ко всем этим методам можно высказать замечание принципиального характера. Дело в том, что в этих работах пытаются предсказать равновесную вторичную структуру. В то же время анализ процесса образования пространственной структуры заставляет усомниться в целесообразности такой постановки задачи. Дело в том, что спиральные участки начинают образовываться сразу по мере синтеза РНК. Рост цепи приводит к всевозможным структурным перестройкам - спирали разрушаются и образуются новые. Этот процесс не прекращается сразу и с окончанием роста цепи. Трудно предположить, что сразу возникнет оптимальный набор спиралей. Время релаксации к равновесию определяется характерными временами структурных перестроек, которые в свою очередь определяются временами распада спиралей. Это время для спиралей с большим числом G-C пар (например, 8-10 пар) может достигать 106с. Поэтому структура РНК может очень долго релаксировать, скатываясь к своему минимуму. Вот тут-то и возникает вопрос, так ли необходимо предсказывать равновесную структуру,может быть, время ее образования превышает время жизни молекулы РНК. Это, конечно, предельный случай, но возможность того, что молекула РНК функционирует тогда, когда еще не образовалась равновесная вторичная структура, вполне допустима. Напомним, что, исследуя вопрос, в каких условиях среды может происходить самоорганизация,
Э.Шредингер писал в своей знаменитой книге (Шредингер,1972): " Живая
материя избегает прихода к равновесию".
Все сказанное заставило искать другой подход к проблеме предсказания вторичной структуры РНК. По-видимому, необходимо рассчитывать набор структур оптимальных в каждый данный момент времени. Тем самым мы приходим к задаче не поиска равновесной структуры, а к анализу самого процесса, т.е. к исследованию кинетики самоорганизации молекулы РНК. Можно сформулировать эту задачу как определение кинетического ансамбля вторичных структур РНК - совокупности вторичных структур, статистичес-
кие веса которых зависят от времени. В дальнейшем развитие этого метода пойдет по пути более адекватного описания процесса самоорганизации вторичной структуры.
В заключение упомянем еше одну проблему, которая ждет своего решения. Речь идет о задаче взаимодействия двух молекул РЖ. При этом может существовать конкуренция между комплементарными участками в разных цепях. Это обстоятельство сильно усложняет проблему предсказания вторичных структур. Однако решение этой задачи поможет объяснить многие биологические процессы. В частности, репликация плазмид в значительной степени регулируется взаимодействием двух молекул РНК.
Глава 7, ОРГАНИЗАЦИЯ ХРАНЕНИЯ
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В БАЗАХ ДАННЫХ,
