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RNA secondary structure thermodynamics and kinetics
Ronny Lorenz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Ivo L. Hofacker
DOI
10.25365/thesis.34176
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29811.28806.435063-3
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
RNA-Moleküle falten auf sich selbst zurück durch Interaktion komplementärer Segmente der linearen Sequenz. Dieser Prozess, der zu der biologisch funktionellen Form eines RNA-Moleküls führt, wird als "Faltung" bezeichnet. Die dabei gebildete Sekundärstruktur umfasst den größten Teil der freie Energie und kann formal durch eine Menge von Basenpaaren beschrieben werden.
Bestehende Berechnungsmethoden erlauben relativ genaue Vorhersagen von Grundzuständen, Basenpaarungswahrscheinlichkeiten und anderen thermodynamischen Eigenschaften von RNA Sekundärstrukturen. Diese Algorithmen basieren auf experimentell bestimmten Enthalpie- und Entropieparametern.
Neben den Grundzustand kann eine RNA eine Vielzahl verschiedener Strukturen annehmen, welche gemeinsam eine Ensemble verschiedenster Konformationen darstellen. Durch die Einführung des Begriffs der "strukturellen Nachbarschaft" bildet dieses Ensemble, zusammen mit der freien Energien seiner Elemente, eine Energielandschaft. Diese Konzepte erlauben nun, Faltungs- und Umfaltungsdynamiken von RNAs zu untersuchen. Biologische Phänomene, wie die Regulation der Genexpression durch RNA-Schalter, prokaryotische Attenuatoren oder strukturelle Veränderungen der genomischen RNA von Viroiden und RNA-Viren erfordern detailiertes Verständnis von Umfaltungspfaden und deren Kinetik.
In meiner Doktorarbeit präsentiere ich neue heuristische Algorithmen basierend auf einer abstrakten Darstellung der Energielandschaft mittels Distanzklassenpartitionierung, um optimale Faltungspfade und Faltungsverhalten vorherzusagen. Großer Wert wird hierbei darauf gelegt, diese Algorithmen auf RNA-Moleküle von biologisch signifikanter Sequenzlänge anwenden zu können. Durch Untersuchung variabler und statischer Energielandschaften mittels stochastischer und deterministischer Methoden können diese neuen Ansätze auch zur Vorhersage co-transkriptioneller Faltungskinetiken verwendet werden.
Darüber hinaus wurde eine Erweiterung vorhandener Methoden zur RNA-RNAInteraktionsvorhersage entwickelt, sodaß diese auch auf RNA/DNA Heterodimere, die beispielsweise während des Transkriptionsprozesses auftreten, angewandt werden können. Um effiziente und genaue Rahmenbedingungen für alle meine Sekundärstrukturanalysen zu schaffen, implementierte ich die neuesten thermodynamischen Energiemodelle in das ViennaRNA Package. Weiters wurden G-Quadruplexe in mehrere Programme des ViennaRNA Package eingeführt und bilden somit das erste Strukturmotiv, das über die klassischen Sekundärstrukturen hinausgeht.
Diese neuen Verfahren können helfen, die Beziehung zwischen Strukturmerkmalen der Energielandschaft und ihren Einfluß auf Faltungskinetik von RNA-Molekülen besser zu verstehen. Weiters könnten dadurch neue Wege in Richtung in silico Design von RNAs mit bestimmten Faltungsverhalten eröffnet werden und somit in stark interdisziplinären Bereichen wie der Synthetischen Biologie Anwendung finden.
Abstract
(Englisch)
RNA molecules fold back onto themselves through interaction of complementary segments of the linear sequence. This process which leads to the biologically functional shape of an RNA molecule is called "folding". The formed secondary structure captures most of the folding free energy and can be formally described by a set of base pairs.
Computational methods exist that allow one to predict ground states, base pairing probabilities, and other thermodynamic properties of RNA secondary structures with relatively high accuracy. These algorithms are based on experimentally determined enthalpy and entropy parameters.
Besides the ground state, an RNA can adopt a multitude of different structures that taken together constitute a conformational ensemble. By introducing a notion of structural neighborhood the ensemble and the free energies of its members form an energy landscape.
This sets the scene to investigate the folding and refolding dynamics of RNA molecules. Biological phenomena like regulation of gene expression by riboswitches, attenuators in prokaryotic cells, or structural changes of the genomic RNA of viroids and RNA-viruses require an understanding of refolding paths and their kinetics.
In my PhD thesis I present novel heuristic algorithms to predict optimal folding paths and folding behavior on top of an abstract view of the energy landscape using distance class partitioning. Great value is set on the applicability of these algorithms to RNA molecules of biologically significant sequence lengths. By exploration of variable and static energy landscapes with stochastic and deterministic techniques the new approaches can even be used to predict folding kinetics during transcription.
Furthermore, I developed an extension to existing RNA-RNA interaction prediction tools that allows their application to RNA/DNA heterodimers, which for instance occur in the transcription process. To provide an efficient and accurate framework for all my secondary structure based analyses, I implemented the latest thermodynamic energy models into the ViennaRNA Package. In addition, G-Quadruplexes were introduced into several programs of the ViennaRNA Package and constitute the first structural motif beyond classic secondary structures.
These new methods may help to better understand the relation between structural features of the energy landscape and their impact on the folding kinetics of RNA molecules. Therefore, this might open the path to in silico design of RNA molecules with prescribed folding behavior, knowledge that will facilitate research in highly interdisciplinary areas such as Synthetic Biology.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
thermodynamics kinetics RNA secondary structure dynamic programming riboswitches structure prediction folding dynamics cotranscriptional folding
Schlagwörter
(Deutsch)
Thermodynamik Kinetik RNA Sekundärstrukturen Dynamische Programmierung Riboswitches Strukturvorhersage Faltungsdynamik Kotranskriptionelle Faltung
Autor*innen
Ronny Lorenz
Haupttitel (Englisch)
RNA secondary structure thermodynamics and kinetics
Paralleltitel (Deutsch)
Thermodynamik und Kinetik von RNA Sekundärstrukturen
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
XII, 193 S. : Ill., graf. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Rolf Backofen ,
Craig Zirbel
Klassifikationen
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,
54 Informatik > 54.00 Informatik: Allgemeines
AC Nummer
AC12083577
Utheses ID
30339
Studienkennzahl
UA | 091 | 490 | |