Elements of RNA Secondary Structures and Their Classification

Abstract

Аннотация. Предложена классификация элементов вторичной структуры РНК, которая является обобщением классификации петель, предложенной Мэтьюзом и Тернером. Эта классификация позволяет единообразно описывать структуры как содержащие, так и не содержащие псевдоузлы.Ключевые слова: РНК, вторичная структура, спираль, псевдоузел, петля. ВВЕДЕНИЕИзучение вторичной структуры РНК, в частности, предсказание вторичной структуры по последовательности путем минимизации энергии, -одна из классических задач биоинформатики [1][2]. В рамках общепринятой в настоящее время модели Цукера-Мзтьюза-Тернера (Nearest Neighbour Model, NNM, см. [3-4]) структура РНК разбивается на петли (loops). Каждая петля относится к определенному классу, для каждого класса дается формула вычисления энергии петли, зависящая от длин соответствующих участков РНК, нуклеотидов и т. п.К сожалению, эта модель неприменима при изучении структур, которые содержат псевдоузлы. Проблема предсказания структур РНК, которые содержат псевдоузлы, изучена значительно хуже, чем проблема предсказания «классических» структур, не содержащих псевдоузлов (pseudoknot-free structures) [5]. При этом в настоящее время не существует общепринятой классификации псевдоузлов. Описаны простейшие виды псевдоузлов (kissing hairpins, H-structures и др, см. [6]), псевдоузлы, играющие важную роль в клеточных процессах, см. например, [7]); в [8] дан анализ классов псевдоузлов, введенных в различных работах по предсказанию вторичной структуры РНК по ее последовательности. В базе данных [9, 10] собраны примеры псевдоузлов в экспериментально определенных структурах РНК. Однако единого способа описания элементов вторичной структуры при наличии псевдоузлов, подобного тому, который был предложен в [3-4] для описания структур, которые не содержат псевдоузлов, в настоящее время нет.Цель настоящей работы -восполнить этот пробел. Мы предлагаем способ описания элементов вторичной структуры, пригодный как для описания классических петель, так и для описания псевдоузлов. Этот способ основан на разложении плоских графов в элементарные циклы, ср. с работой [11].Статья имеет следующую структуру. В разделе «Основные определения» вводится вся необходимая терминология. В разделе «Спирали и петли» вводится основное для предлагаемого подхода понятие петли, обобщающее понятие петли по Мэтьюзу-Тернеру. Далее, в разделе «Структура петель» доказываются утверждения,