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RNAomics
Marcelo Macedo Brigido
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conteúdo
• Histórico de descobertas• RNA como central no controle da expressão
gênica• RNA codificador não codificador• Estrutura do RNA• Métodos preditivos• Predição de genes de ncRNA
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Histórico• 57’ Severo Ochoa e Artur Kornberg
– Síntese enzimática do RNA (RNA polimerase e Polinucleotídeo fosforilase)
• 65’ Holley, Khorana, Niremberg– tRNA e o código genético
• 67’ Carl Woese – RNA e o mundo primitivo• 70’ David Baltimore - Retrovirus e retrotranscritase
• 77’ Philip Sharp – Splicing de pré-RNA• 80’ Thomas Cech – Ribozimas e o RNA catalítico• 90’ RNA interferente em petúnias• 90’ MicroRNA e o silenciamento de genes
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Introns
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snRNA e os introns modernos
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RNA Catalítico
DOI:10.1039/B415137M (Feature Article) Chem. Commun., 2005, 0, 2069-2079
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miRNA
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RNA structure(s)
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RNA structure(s)
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O RNA se dobra de forma complexa
5s rRNA (PDB ID: 1UN6)
RNA folding = Processo hierarquico e estocástico dirigido pelo pareamento de subconjunto de bases
G/C
U/A
U/G
Canonical base-pairs
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Bancos de dados de RNAName Data type Scope Description File formats #Entries URL
PDB All-atoms General RCSB Protein Data Bank – Global repository for 3D molecular models PDB ~1,900 models http://www.pdb.org
NDBAll-atoms, Secondary structures
General Nucleic Acids Database – Nucleic acids models and structural annotations. PDB, RNAML ~2,000 models http://bit.ly/rna-ndb
RFAMAlignments,Secondary structures3
GeneralRNA FAMilies – Multiple alignments of RNA as
functional families. Features consensus secondary structures, either predicted and/or manually curated.
STOCKHOLM, FASTA
~1,973 Alignments/ structures, 2,756,313 sequences
http://bit.ly/rfam-db
STRAND Secondary structures General The RNA secondary STRucture and statistical ANalysis
Database – Curated aggregation of several databases
CT, BPSEQ, RNAML, FASTA,
Vienna
4,666 structures http://bit.ly/sstrand
PseudoBase Secondary structures
Pseudoknotted RNAs
PseudoBase – Secondary structure of known pseudonotted RNAs.
Extended Vienna RNA 359 structures http://bit.ly/pkbase
CRW
Sequence alignments,
Secondary structures
Ribosomal RNAs, Introns
Comparative RNA Web Site – Manually curated alignments and statistics of ribosomal RNAs.
FASTA, ALN, BPSEQ
1,109 structures,
91,877 sequences
http://bit.ly/crw-rna
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RNA: formatos de arquivos
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RNA: formatos de arquivos
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Formato de arquivo de estrutura secundária de RNA
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RNA: formatos de arquivos
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Representação de estruturas secundárias
http://varna.lri.fr
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Ribonucleotideos se ligam através de interações em suas bordas
Interações não canônicas
Interações não canônicas são fracas mas se agrupam em clusters que são estruturalmente conservados e funcionalmente essencial
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Non canonical interactions
Ribonucleotideos se ligam através de interações em suas bordas
Interações não canônicas são fracas mas se agrupam em clusters que são estruturalmente conservados e funcionalmente essencial
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Interações não canônicas
SUGAR
W-CH
SUGAR
W-C H SUGAR
W-C
H
SUGAR
W-C H
Non Canonical G/C pair (Sugar/WC trans)
Canonical G/C pair (WC/WC cis)
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Leontis/Westhof,NAR 2002
Nomenclatura Leontis/Westhof :Uma gramática para motivos
terciários
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Dobramento de mínima energia livre (Minimal Free-Energy - MFE)
…CAGUAGCCGAUCGCAGCUAGCGUA…
RNAFold
• Cada modelo estrutural esta está associado a um nível de energia (ΔG)• Encontra-se a estrutura de menor energia livre (MFE)
– O pacote de RNA Vienna RNA tem implementado um algorítimo com complexidade O(n3) para encontrar o MFE
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Predição de Estrutura de RNA: MFE folding
• Quantifica a quantidade de energia associada a cada par de base
• A contribuição de diferentes loops são computadas• Os valores são obtidos de tabelas empíricas• As energias são aditivas e são computadas para
cada estrutura• A de menor energia é escolhida
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Problemas com o MFE• Não existe uma única estrutura para um dado RNA• Dependendo da temperatura, o que existe é uma
distribuição de estruturas• O MFE responde corresponde apenas a uma estrutura, que
pode não corresponder a aquela biologicamente funcional• A solução é uma assembleia de estruturas cada uma como
uma energia de dobramento• A probabilidade de cada estrutura é calculada a partir de
uma função de partição
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Exemplo para o computo da energia de empilhamento
(Stacking)
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Função de Partição para o folding de RNA
• Baseada na função de partição de Boltzman• Descreve uma assembleia de estruturas de RNA em função da
temperatura
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MEF e sub-ótimas
MFOLD funciona selecionando diversas estruturas
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Uma assembléia de estruturasCada uma com seu DG0
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Pseudoknots• Pseudoknots são modelos topológicos complexos.
Pseudoknots são ignorados na função de partição:– Não possuem um modelo energético claro– Um desafio computacional
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RFAM: RNA functional familieshttp://rfam.sanger.ac.uk/
Clan
Family
Seed alignment
Full alignment
*
3D model(s)
Consensus secondary structure
*
1
1
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Modelos de Covariância• Modelos ocultos de Markov (HMM) permite um alinhamento fexível a uma
estrutura de RNA – Probabilidades de emissão e transição
• Modelos de de arvores binárias baseadas em um número finito de de estados – Match states – sequência conforme o modelo:
• MATP – Estado no qual as bases estão pareadas no modelo e na sequência • MATL & MATR – Estados com um bulge na esquerda ou na direita na sequências e
no modelo– Deleção – Estado no qual existe uma deleção na sequência quando
comparado ao modelo– Inserção – Estado em que ocorreu uma inserção na sequência relativa ao
modelo• Cada transição esta associada a uma probabilidade
– Bifurcação – não está associada a uma probabilidade, refere-se a um caminho possível
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Algorítmo de Alinhamento a um Modelo de Covâviancia
• Calculo o escore de probabilidade de alinhar um RNA a um CM
• Depende de matrizes tridimensionais – O(n³)– Alinha a sequência a um CM– Para cada subsequencia calcula
todos os estados possíveis
Images – Eddy et al.
Infernal usa CM e é utilizado para criar os RFAM
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tRNAscan-SE utiliza modelos de covariância