Obliczeniowa analiza struktur drugorzędowych RNA w genomach wirusowych w oparciu o dane z metod wysokoprzepustowego próbkowania strukturalnego
Loading...
Date
2024
Authors
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Computational analysis of RNA secondary structures in viral genomes using high-throughput structure probing methods
Abstract
Struktura RNA jest kluczowym czynnikiem determinującym jego funkcję, ponieważ dynamiczne zmiany konformacyjne cząsteczek RNA są kluczowe dla ich roli, np. w regulacji ekspresji genów i syntezie białek. Dokładne określenie struktury RNA za pomocą metod takich jak NMR lub krystalografia rentgenowska jest trudne ze względu na dynamiczną naturę cząsteczek RNA, a także jest pracochłonne i kosztowne. Techniki sondowania struktury RNA oferują alternatywę, umożliwiając obserwację RNA w rożnych warunkach, w tym in vivo i in vitro. Szybki rozwój protokołów sondowania o dużej przepustowości umożliwił analizę tysięcy cząsteczek RNA jednocześnie, dostarczając kompleksowych zbiorów danych, które można zintegrować z modelami komputerowymi w celu poprawy dokładności przewidywań struktury RNA. W tej pracy przedstawiłam dwie nowe metody obliczeniowe: probNORM i rnaCARD. probNORM to uniwersalna metoda analizy danych z eksperymentów sondowania struktury drugorzędowej RNA o dużej przepustowości, obliczająca reaktywność poszczególnych nukleotydów na podstawie skorygowanego rozkładu sygnału w próbce kontrolnej. Ta metoda umożliwia uzyskanie silnego sygnału z dobrą rozdzielczością między nukleotydami jedno- i dwuniciowymi w strukturze RNA. rnaCARD została opracowana do porównywania dwóch alternatywnych struktur drugorzędowych RNA, pozwalając na odkrycie podobieństw i różnic między strukturami na podstawie ich reprezentacji w notacji abstrakcyjnych kształtow RNA. Obie metody zostały opracowane w języku Python, wraz z aplikacjami internetowymi napisanymi w języku R Shiny. Stworzone metody zastosowałam do przeprowadzenia kompleksowej analizy struktur drugorzędowych RNA regionów UTR wirusa Zika. Na podstawie reaktywności obliczonych za pomocą probNORM, przeprowadziłam modelowanie struktury RNA czterech izolatow wirusa Zika a następnie zidentyfikowałam nowe cechy strukturalne za pomocą rnaCARD.
The structure of RNA is a key determinant of its function, as the conformational dynamics of RNA molecules is essential for their roles in, e.g., gene expression regulation and protein synthesis. Accurate determination of RNA structure using methods like NMR or X-ray crystallography is challenging due to the dynamic nature of RNA molecules, as well as being labor-intensive and costly. RNA structure probing techniques offer an alternative, allowing to observe RNA under various conditions, including in vivo and in vitro. The rapid development of high-throughput probing protocols allowed the analysis of thousands of RNA molecules simultaneously, providing comprehensive data sets that can be integrated with computational models to improve the accuracy of RNA structure predictions. In this work, I presented two novel computational methods: probNORM and rnaCARD. probNORM is a universal method for analyzing data from high-throughput RNA secondary structure probing experiments, calculating the reactivity of individual nucleotides based on a corrected distribution of the signal in the control sample. This method enables the recovery of a strong probing signal with good resolution between single- and double-stranded nucleotides within the RNA structure. rnaCARD was developed to compare two alternative RNA secondary structures, allowing for the discovery of similarities and differences between structures based on their representation in the RNA abstract shapes notation. Both methods were developed in Python, along with web services written in R Shiny. Next, I employed both methods to perform a comprehensive analysis of the secondary RNA structures of the Zika virus UTRs. Based on the reactivity signals calculated with probNORM, I modeled the RNA structures of four Zika virus isolates and identified novel structural features using rnaCARD.
Description
Wydział Biologii
Sponsor
Keywords
wirus Zika, struktura drugorzędowa RNA, próbkowanie chemiczne struktury RNA, obliczeniowa analiza struktur RNA, Zika virus, secondary structure of RNA, chemical probing of RNA structure, computational analysis of RNA structure