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Prediction of RNA interaction in 3D
Irene Katharina Beckmann-Schneider
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Molekulare Biologie
Betreuer*in
Ivo Hofacker
DOI
10.25365/thesis.77130
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21145.34024.994149-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In der RNA-Biologie spielt die genaue Vorhersage der RNA-Struktur und ihrer intra- und intermolekularen Wechselwirkungen eine zentrale Rolle für das Verständnis des komplexen Netzwerks zellulärer Prozesse und für die Entwicklung RNA-basierter Anwendungen in Biotechnologie und Medizin. In vielen Fällen reicht die Kenntnis der Sekundärstruktur aus, um Wechselwirkungen zu identifizieren und die Funktion einer RNA zu verstehen. Obwohl es möglich ist, Sekundärstrukturen in den dreidimensionalen Raum einzubetten, reichen 2D-Tools nicht aus, um die Effekte sterischer Barrieren auf der Ebene der Tertiärstruktur zu berücksichtigen. Insbesondere die Einbeziehung wichtiger Konformationsmerkmale wie Pseudoknoten oder Kissing-Hairpin-Interaktionen kann zu vorhergesagten Strukturen führen, die sterisch in 3D nicht realisierbar sind. Darüber hinaus werden Interaktionen häufig überbewertet, insbesondere in Bezug auf die Länge einer Interaktion, da die Machbarkeit eines Faltungsweges nicht berücksichtigt wird. Die Identifizierung von Pseudoknoten in experimentell bestimmten RNA 3D-Strukturen, ihre Klassifizierung und Analyse waren wesentliche Aufgaben in dieser Arbeit, um mehr über Pseudoknoten und ihre spezifischen Eigenschaften zu erfahren. Während die 3D-Modellierung von RNA nach wie vor eine rechenintensive Herausforderung darstellt, ist der entwickelte Ansatz zur Untersuchung des Faltungspfades durch die Kombination von grobkörnigen Darstellungen und der Modellierung von 3D-Konformationsänderungen als Abfolge kleiner Schritte eine effiziente und effektive Methode. Sie ermöglicht es zu erkennen, ob eine in 2D vorgeschlagene Pseudoknoten- oder Kissing-Hairpin-Interaktion tatsächlich sterisch durchführbar und kinetisch erreichbar ist. Die in dieser Arbeit entwickelten 3D-Ansätze geben einen umfassenden Einblick in die strukturellen Eigenschaften und Faltungswege der verschiedenen Pseudoknotenklassen und unterstreichen die Bedeutung der 3D-Strukturmodellierung und der Informationen, die sie zusätzlich zu 2D-Vorhersagen liefert. Die gewonnenen Erkenntnisse ermutigen dazu, dreidimensionale Merkmale in 2D-Tools zu integrieren und dadurch die Zuverlässigkeit der Vorhersagen deutlich zu verbessern.
Abstract
(Englisch)
In the field of ribonucleic acid (RNA) biology, the accurate prediction of RNA structure and its intra- and intermolecular interactions play a pivotal role in understanding the complex network of cellular processes and advancing RNA-based applications in biotechnology and medicine. In many cases, knowledge of the secondary structure is sufficient for identifying interactions and understanding the function of an RNA. Although it is possible to embed secondary structures in three-dimensional space, 2D tools are insufficient to account for the impact of steric hindrance at the tertiary structural level. In particular, the inclusion of conformational essential features, such as pseudoknots or kissing hairpin interactions, can result in predicted structures that are sterically infeasible in 3D. Furthermore, they frequently over-predict interactions as they do not consider the viability of a folding pathway. The identification of pseudoknots in experimentally determined RNA 3D structures, their classification and analysis were essential tasks in this thesis to learn more about pseudoknots and their specific properties. While 3D modelling of RNA remains a computational challenge, the developed approach to study the folding pathway by combining coarse-grained representations and modelling 3D conformational changes as a series of small steps is an efficient and effective method. It allows to identify whether a pseudoknot or kissing-hairpin interaction proposed in 2D is indeed sterically feasible and kinetically reachable. The 3D approaches developed in this thesis provide a comprehensive insight into the structural features and folding pathways of the different pseudoknot classes, emphasising the importance of 3D structural modelling and the information it provides in addition to 2D RNA predictions. The findings obtained encourage the incorporation of three-dimensional features into 2D tools, thereby markedly enhancing the reliability of predictions.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
RNA RNA Strukturvorhersage Pseudoknoten RNA-RNA Interaktion RNA-Sekundärstruktur RNA-Tertiärstruktur sterische und kinetische Machbarkeit Faltungswege grobkörnige Faltungssimulation
Schlagwörter
(Englisch)
RNA RNA structure prediction pseudoknots RNA-RNA interaction RNA secondary structure RNA tertiary structure steric and kinetic feasibility folding pathways coarse-grained folding simulation
Autor*innen
Irene Katharina Beckmann-Schneider 
Haupttitel (Englisch)
Prediction of RNA interaction in 3D
Paralleltitel (Deutsch)
Vorhersage von RNA-Interaktion in 3D
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
xiii, 108 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Samuela Pasquali ,
Bojan Zagrovic
AC Nummer
AC17380426
Utheses ID
72820
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |