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Domain-level design and simulation of pseudoknot-free cotranscriptional folding pathways
Laurenz Miksch
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Informatik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Bioinformatik
Betreuer*in
Ivo Hofacker
DOI
10.25365/thesis.78525
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27500.84450.136663-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
RNA-Moleküle falten sich während ihrer Synthese zu komplexen Strukturen, ein Prozess, der als cotranskriptionelle Faltung bezeichnet wird. Der Verlauf dieses Prozesses kann die Struktur und Funktion der RNA entscheidend beeinflussen. Daher ist es wichtig, RNAs nicht nur im Hinblick auf ihre endgültige Struktur zu designen, sondern den Prozess der cotranskriptionellen Faltung bereits im Design gezielt zu berücksichtigen und während der Transkription aktiv zu steuern. Diese Masterarbeit stellt eine neue Methodik zum Design von RNA-Sequenzen auf der Basis sogenannter abstrakter cotranskriptioneller Faltungspfade (aCFPs) vor. Ein aCFP definiert eine vordefinierte Abfolge von Strukturen, die die RNA zu bestimmten Zeitpunkten während der Transkription einnehmen soll und führt das RNA-Molekül schrittweise zu seiner endgültigen Struktur. Dabei konzentrieren sich aCFPs ausschließlich auf strukturelle Veränderungen von Helices und ungepaarten Bereichen, ohne explizite Helixlängen oder detaillierte Sequenzanforderungen berücksichtigen zu müssen. Um aCFPs effizient zu implementieren, wird in dieser Arbeit eine Domänenebene als Zwischenschritt verwendet, um die abstrakte Design-Ebene mit der konkreten Nukleotidebene zu verbinden. Inspiriert durch domain-level strand displacement systems integriert das hier vorgestellte Designschema spezifische kurze Domänen (Toeholds), um gezielt strukturelle Umfaltungen während der Transkription auszulösen. Die Domänenebene wird dabei nicht nur als Design-Zwischenschritt genutzt, sondern dient gleichzeitig als Validierungsschritt. So wird die cotranskriptionelle Faltung zunächst auf Domänenebene simuliert und überprüft, bevor auf Nukleotidebene weitergearbeitet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Softwarepaket CocoPaths entwickelt, welches drei Programme für das Design und die Validierung von cotranskriptionellen Faltungspfade umfasst: (I) CocoPath validiert aCFPs und übersetzt sie in domänenbasierte Sequenzen; (II) CocoSim simuliert die cotranskriptionelle Faltung auf Domänenebene und ermöglicht die Überprüfung und Optimierung der entworfenen Sequenzen; (III) CocoDesign übersetzt validierte domänenbasierte Designs in konkrete nukleotidbasierte Sequenzen, die den gewünschten Faltungspfade auf Nukleotidebene realisieren. Durch die Einführung dieses domänenbasierten Ansatzes und der zugehörigen Software CocoPaths erweitert diese Masterarbeit bestehende RNA-Designmethoden und bietet eine solide Grundlage für das Design und die Validierung von RNA-Sequenzen mit gezielt kontrollierbaren cotranskriptionellen Faltungspfade.
Abstract
(Englisch)
RNA molecules fold into complex structures during synthesis in a process known as cotranscriptional folding. The path taken during this folding can critically influence RNA structure and function, making it essential not only to design specific RNA structures but also to control how they form during transcription. This thesis introduces a novel methodology for designing RNA sequences based on abstract cotranscriptional folding paths (aCFPs). An aCFP represents a predefined series of structures that the RNA should adopt at specific points during transcription, guiding the RNA molecule step-by-step toward its final structure. The aCFP corresponds exclusively to large-scale structural transitions of helices and unpaired regions, bypassing the need to consider helix lengths or specific sequence constraints. In order to effectively implement aCFPs, this thesis uses a domain-level abstraction as an intermediate specification layer, bridging the conceptual gap between aCFPs and precise nucleotide-level sequences. Inspired by domain-level strand displacement systems, the design approach integrates short domains acting as toeholds to initiate structural rearrangements during transcription. By employing domains, the design process simplifies the complexity of sequence generation and significantly enhances the ability to validate designs at the domain-level before committing resources to detailed nucleotide-level optimization. In parallel with the development of the theoretical framework, a software package called CocoPaths was created, which includes three tools for designing and verifying folding paths: (I) CocoPath, for designing domain level sequences based on an aCFP; (II) CocoSim, a domain level cotranscriptional folding simulator for sequence verification and optimization; and (III) CocoDesign, which translates validated domain level designs into nucleotide sequences that exhibit the desired cotranscriptional folding path at the nucleotide level. By introducing this domain level framework and the CocoPaths software suite, this thesis advances RNA design methodologies, providing a robust foundation for the design and validation of cotranscriptionally interesting folding pathways.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
RNA Kinetik Domain Level kotranskriptionelle Faltung Transkription
Schlagwörter
(Englisch)
RNA Kinetics cotranscriptional folding
Autor*innen
Laurenz Miksch
Haupttitel (Englisch)
Domain-level design and simulation of pseudoknot-free cotranscriptional folding pathways
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 75 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Ivo Hofacker
Klassifikationen
42 Biologie > 42.10 Theoretische Biologie ,
54 Informatik > 54.89 Angewandte Informatik. Sonstiges
AC Nummer
AC17549963
Utheses ID
75721
Studienkennzahl
UA | 066 | 875 | |