Visualisierung von RNA-Sekundärstrukturen

10.07.2003

Proseminar „Visualisierung in der Bioinformatik“

Sommersemester 2003

Betreuer: Jens BarthelmesAutoren: Nikolaus Jeremic, Birger Krug

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

Visualisierung von RNA-Visualisierung von RNA-SekundärstrukturenSekundärstrukturen

Prof. Dr. D. Krömker

10.07.2003 02/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur

Nikolaus Jeremic & Birger Krug

Gliederung

1. Einleitung

1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur

2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur

2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur 2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur 2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten

3. Lösungen zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur

3.1 RnaViz23.2 PseudoViewer3.3 Vergleich der beiden Programme

4. Zusammenfassung

5. Ausblick



Gliederung

1. Einleitung



2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur 2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten



4. Zusammenfassung

5. Ausblick



Gliederung

1. Einleitung



2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten



4. Zusammenfassung

5. Ausblick



Gliederung

1. Einleitung



2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten



4. Zusammenfassung

5. Ausblick



Gliederung

1. Einleitung



2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur 2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten



4. Zusammenfassung

5. Ausblick



1. Einleitung

1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur

1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten

1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur

10.07.2003 08/491.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur

RNA (Ribonucleinsäure)

• Der Zuckerbaustein des Nucleotids ist Ribose

http://www.rothamsted.bbsrc.ac.uk/notebook/courses/guide/rnast.htm

• Besteht aus den Basen:

http://www.bioinfo.rpi.edu/~zukerm/Bio-5495/RNAfold-html/node1.html




• RNA kommt fast immer einsträngig vor und spielt einesehr wichtige Rolle bei der Genexpression (Proteinsythese)

• Bei Retroviren besteht das Genom aus einzelsträngigenRNA-Molekülen




• Die 3 wichtigsten Arten der RNA:

Ribosomale RNA/rRNA (Strukturelemente der Ribosomen),Transfer RNA/tRNA (transportiert Aminosäuren) undMessenger RNA/mRNA (entsteht beim Kopieren der Gene)

• Weitere RNA-Typen:

Katalytische RNAsRNAs, die keine Proteine kodieren: RNAi, miRNA,snRNA, tmRNA, gRNAs und snoRNAs


RNA-Sekundärstruktur

Die RNA-Sekundärstruktur ist die Vereinfachung einer komplexendreidimensionalen Faltung eines Biopolymers.

Die Faltung entsteht durch Basenpaarung, wobei man zwischenkanonischen und nicht kanonischen Basenpaarungen unterscheidet.

• Watson-Crick Basenpaare: (Wasserstoffbrücken-) Bindungen zwischen den komplementären Basen (C-G und A-U)

• Wobble* Basenpaarung (G-U)

*bei der Paarung zwischen Codon und Anticodon tritt in der dritten Position Schwankungen (wobbles) auf

Bei allen anderen handelt es sich um nicht-kanonische Basenpaarungen

RnaViz2, Escherichia coli MRE600

10.07.2003 12/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten

Strukturelle Elemente

RNA-Schleifen (reguläre Schleifen):Sind Bereiche der Sequenz der Sekundärstruktur, die nicht kanonische Basenpaare beinhalten, jedoch durch ein oder mehrere kanonische Basenpaare begrenzt sind.

Schleifenarten:

Hairpin loop (Haarnadelschleife)Bulge loopInternal loopMultibranch loop

Helices:Doppelstrangbestandteil, der ein benachbarter Bereich eines Basenpaares ist.


Strukturelle Elemente

Hairpin loop (Haarnadelschleife)Resultieren aus der Entstehung der Basenpaare durch die Rückwärtsfaltung derNucleinsäurestränge. Entsteht aus einem Basenpaar.

Bulge loop (einseitige Schleife)Enthalten ungepaarte Nucleotide auf nur einem Strang der Doppelhelix

Internal loop (interne Schleife)Sind durch zwei Helices mit kanonischen Basenpaaren begrenzt und beinhalten Nucleotide an beiden Strängen, die nicht in kanonischen Basenpaaren sind.

Multibranch loop (Verzweigungen)Schleifen, bei denen sich mehr als zwei Helices schneiden.


Beispiel: Strukturelle Elemente

RNA 2001 Elsevier Science Ltd Söll, Nishimura, Moore


PseudoknotenTeile eines RNA-Tertiärstrukturelements, die sich bilden, wenn Nukleotide aus kurzen,einzelsträngigen Bereichen mit Nucleotiden in Haarnadelschleifen desselben MolekülsBasenpaarungen eingehen.

Vereinfacht: 2 überlappende Stem-loop Strukturen, wobei 1 Strang in der Schleife der anderenStruktur beginnt:

Tag der Forschung, Rumpf, 2002


Pseudoknoten

Wichtig für verschiedene Funktionen der RNA:

• Die strukturelle Organisation des RNA-Komplexes

• Auslösen der Replikation

• Frameshifting

• Kontrolle der Translation


Pseudoknoten

3 Hauptarten der Pseudoknoten:

• H-Typ Pseudoknoten (hairpin loop)• B-Typ Pseudoknoten (bulge loop)• I-Typ Pseudoknoten (interior loop)

Insgesamt sind 14 Typen möglich.

Pseudoknoten Schleifen (PK loop) enthalten sowohl einen Pseudoknotenals auch einen einsträngigen Teil.


Beispiel: H-Type Pseudoknoten

RNA structure, Andrew Feig, 2002

10.07.2003 19/491.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur

Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur

Eine exakte Kenntnis der RNA-Sekundärstruktur ist wichtig für die Beeinflussung vonRNA-Molekülen mit nukleotidischen oder nicht-peptidischen Wirkstoffen.

Bedeutend für das Verständnis der Prozesse wie das Spleißen (Entfernen der Intronen undVerbinden der Exonen) und die funktionale Rolle der rRNA in der Proteinsynthese.

Notwendig für die Strukturanalyse der RNA-Moleküle z.B. bei Spektroskopie, Thermographie,chemisches und enzymatisches Probing, Gelelektrophorese, Röntgenstrukturanalyse.

Hilfreich für die Vorhersage der Tertiärstruktur.


Nikolaus Jeremic & Birger KrugVisualisierung der RNA-Sekundärstruktur


2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur

2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur

2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten


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Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur


Problem: Berechnung der Sekundärstruktur aus einer (oder mehreren) Nucleotidsequenz(en).

Die Anzahl der möglichen Sekundärstrukturen auf einem Molekül ist exponentiell in der Anzahl der Nucleotide!

Deshalb werden „intelligente“ Verfahren gebraucht...

10.07.2003 22/49

Verfahren zur Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur


Allgemeine Ansätze:

(1) Ermittlung der Sekundärstruktur auf der Basis eines Sequenzvergleichs

(2) Graphentheoretische Ansätze

(3) Syntaxgesteuerter Ansatz (kontext-freie stochastische Grammatiken)

(4) Optimierung einer heuristischen Energiefunktion (mittels Dynamisches Programmieren)

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Bewertung der Verfahren


(1) Vorteile: Gute Ergebnisse bei tRNAs und 5s-RNA, findet Pseudoknoten

Nachteile: Mehrere Sequenzen notwendig, erfordert Multiples Alignment

(2) Vorteile: Findet Pseudoknoten

Nachteile: Mehrere Sequenzen notwendig, erfordert statistische Auswertung

(3) Vorteile: Transparent, flexibel in der Anwendung

Nachteile: Pseudoknoten können nicht mit kontext-freien Grammatiken beschrieben werden, solche Grammatiken haben ggf. sehr viele Produktionen

(4) Vorteile: Benötigen nicht mehrere Sequenzen, kein multiples Alignment notwendig, akzeptable Zeit- und Speicherplatzkomplexität

Nachteile: Pseudoknoten können nicht berechnet werden, Ergebnisse können ungenau sein

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Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur


Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur durch:

• Bracket Dot - Notation

• Mountain Plot

• Dot Plot

• Bäume

• Planare Graphen

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Graphen-Darstellungen (1)


RNA Visualization, Andreas De Stefani, Technische Universität Wien (modifiziert)

Klassische biologische Darstellung (Stem-loop representation)

• Geordnete Menge von miteinander verbundenen Knoten stellt die RNA-Sturktur dar

• Knoten entsprechen Nucleotiden

• Kanten, die nicht-adjazente Knoten verbinden stellen Basenpaarungen dar ( blau markiert )

Bewertung: Biologisch informativ und weit verbreitet. Zum Vergleich von mehreren Strukturen nicht besonders gut geeignet.

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Michael Gribskov : BIMM 140 - Lecture „Introduction to Bioinformatics“,

University of California San Diego,2003

Kreis–Darstellung (Circular representation)

• Basen befinden sich auf der Kreislinie

• Basenpaarungen werden durch Linien dargestellt

Bewertung: Ändert sich mit der Länge der RNA und wird selten verwendet.

Keine Überschneidungen, wenn keine Pseudoknoten in der Struktur vorkommen.

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Michael Gribskov : BIMM 140 - Lecture „Introduction to Bioinformatics“,

University of California San Diego,2003

Kuppel-Darstellung (Dome representation)

• Nucleotide sind auf der Linie angeordnet

• Baasenpaarung wird durch Kreisbögen symbolisiert

Bewertung: Schlecht für die Erkennung von Bulge-Schleifen. Wird selten benutzt.

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Bracket Dot-Darstellung


UUACGACUGACUACCAGUGCAUA

. . . . . ( ( ( ( . . . . . ) ) ) ) . . . . .

Nucleotidsequenz:

Sekundärstruktur in B. D.-Notation:

Eine Klammerung repräsentiert eine Basenpaarung und ein Punkt ein freies Nucleotid.

Bewertung: Gut für die Speicherung im Computer aber nicht für einen visuellen Vergleich geeignet.

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Mountain Plot-Darstellung


http://www.cacr.caltech.edu/Publications/annreps/annrep95/fig/stolorz4.gif

Darstellung der Bracket Dot - Notation in einem Koordinatensystem:

„(„ entspricht Steigung

„)“ entspricht Gefälle

„.“ entspricht Ebene

Höhe des „Berges“ an einer Position, gibt die Anzahl der umschließenden Basenpaare wieder.

Bewertung: Besser als die B. D.-Notation für einen visuellen Vergleich geeignet.

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Dot Plot-Darstellung


RNA Visualization, Andreas De Stefani, Technische Universität Wien (modifiziert)

• Mögliche Basenpaarungen werden durch Quadrate dargestellt, wobei die Größe eines Quadrates proportional zur Wahrscheinlichkeit ist (untere Dreiecksmatrix)

• Darstellung der minimalen freien Energie der Struktur (obere Dreiecksmatrix)

Bewertung: Erlaubt im Gegensatz zu bisher vorgestellten Repräsentationen die graphische Darstellung der freien Energie in der Struktur.

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Baum-Darstellung


Es gibt viele Möglichkeiten die RNA-Sekundärstruktur als Baum darzustellen.

Beispiel einer Baum-Darstellung:

http://www.massey.ac.nz/~ppgardne/results/review/node12.html

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Fazit: Darstellungen der RNA-Sekundärstruktur


• Kompromiß zwischen klarer Darstellung der Sequenz und der Darstellung der Basenpaare

• Darstellungen die beides versuchen sind unübersichtlich und eigenen sich somit nicht mehr für den Vergleich von mehreren RNA-Sekundärstrukturen

• Pseudoknoten können nicht zufriedenstellend dargestellt werden

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Darstellung der H-Typ Pseudoknoten


Darstellung der Sekundärstruktur ohne Pseudoknoten im Sinne der Graphentheorie ist ein Baum

Darstellung eines Pseudoknotens (blauer Pfeil) im Sinne der Graphentheorie ist ein Graph mit inneren Zyklen (und ggf. äußeren Zyklen = PK-Schleife)

Ziel: Darstellung von H-Typ Pseudoknoten als planare Graphen

„PseudoViewer: automatic visualization of RNA pseudoknots“, K. Han Y. Lee & W. Kim, 2002

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Algorithmus von Han, Lee und Kim (PseudoViewer)


Eingabe: Nucleotidsequenz inkl. Sekundärstrukturdaten

Schritt 1: Extraktion der strukturellen Elemente aus der Eingabe

Schritt 2: Konstruktion eines „abstrakten“ Baumes für die gesamte Struktur

Schritt 3: Bestimmung der Größe und Form für jedes strukturelle Element

Schritt 4: Positionierung jedes strukturellen Elementes, Ebene für Ebene durch Translationen und Rotationen

Ausgabe: Darstellung der Sekundärstruktur inklusive H-Typ Pseudoknoten als planarer Graph

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Algorithmus von Han, Lee und Kim


„PseudoViewer: automatic visualization of RNA pseudoknots“, K. Han Y. Lee & W. Kim, 2002

Bisherige Darstellung

Neue Darstellung




3.1 RnaViz2

3.2 PseudoViewer

3.3 Vergleich der beiden Programme


10.07.2003 37/493.1 RnaViz2

RnaViz2

10.07.2003 38/493.1 RnaViz2

RnaViz2 - Eigenschaften• Hybride Programmierung (C + Tcl/Tk)

• Unterstützte Eingabeformate CT, DCSE und RNAML

• Verwendet die Stem-loop Repräsentation

• Mehrere Strukturen auf einer Seite darstellbar

• Jede Struktur besteht aus einer Anzahl einzelner Objekte. Daher können einzelne Basen, Teilbereiche, Helices, Bäume oder Strukturen in ihrer Größe verändert, verschoben und gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, wobei der Rest der Struktur automatisch neu geordnet werden kann, um die korrekte Struktur beizubehalten. Zu jedem Objekt lassen sich die Eigenschaften, wie Schrift, Farbe, Größe etc. verändern und anpassen

• Helices werden automatisch nummeriert.

10.07.2003 39/493.1 RnaViz2

RnaViz2 - Stärken

• Leicht portierbar

• Erkennt verschiedene Formate

• Mehrere Strukturen auf einer Seite

• Einfache und mächtige WYSIWYG-Editierung mit verschiedenen Auswahlmodi

• Freie Auswahl der Schriften, Farben und Größen für jedes Objekt

• Graphische Objekte (Rechtecke, ovale Linien, Text) für Kommentare

• Unabhängiges Skalieren der Strukturzeichnung

• Schablonen

10.07.2003 40/493.1 RnaViz2

RnaViz2 - Schwächen

• Installation umständlich

• Keine alternativen Ansichten, wie „dot plot“ etc. Nicht besonders gut geeignet für den Vergleich von verschiedenen Strukturen

• Pseudoknoten schlecht darstellbar

• Keine Randinformationen

10.07.2003 41/493.2 PseudoViewer

PseudoViewer

10.07.2003 42/493.2 PseudoViewer

PseudoViewer - Eigenschaften

• Webbasiert (Java)

• Automatische Darstellung der H-Typ Pseudoknoten

• Stellt nur H-Typ Pseudoknoten dar

• Abschnitte und Schleifen rotierbar

• Markierung der Struktur

• Fensterunterteilung

10.07.2003 43/493.2 PseudoViewer

PseudoViewer - Stärken

• Detaillierte Anzeige der Strukturdaten

• Übersichtsfenster

• Keine Kantenüberschneidungen

• Automatische Nummerierung der Basenpaare und Markierung der PK-Schleifen.

10.07.2003 44/493.2 PseudoViewer

PseudoViewer - Schwächen

• Nur H-Typ Pseudoknoten darstellbar

• Kein Zugriff auf einzelne Objekte

• Begrenzte Editiermöglichkeiten

• Kein manuelles Zeichnen möglich

• Keine Druckoption vorhanden

10.07.2003 45/493.3 Vergleich der beiden Programme

Vergleich beider Programme

Beide Programme verarbeiten Eingaben, die bereits Informationen über die Sekundärstruktur enthalten (Vorhersage der Sekundärstruktur muß schon vorher geschehen)

RnaViz2 bietet zwar mehr Editiermöglichkeiten, kann im Gegensatz zum PseudoViewer nicht automatisch H-Typ Pseudoknoten visualisieren




4. Zusammenfassung

• Biologische Grundlagen und Bedeutung der RNA und ihrer Sekundärstruktur

• Vorhersage, Darstellung und Speicherung der RNA- Sekundärstruktur

• Lösungen zur automatischen Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur




5. Ausblick

Automatische Visualisierung aller Pseudoknotentypen mit Möglichkeit der nachträglichen Bearbeitung der Struktur

Automatische Visualisierung aller Pseudoknotentypen ist bereits realisiert:

PseudoViewer 2 (Anfang 2003)




Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !




Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !

Nun werden wir versuchen noch offengebliebene Fragen zu beantworten...

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