介绍

RNA在细胞中扮演着重要的角色，既是遗传信息载体(mRNA)，也是功能元件(tRNA, rRNA)。由于RNA序列的功能很大程度上与其结构有关，因此从其序列预测RNA的结构变得越来越重要。由于碱基配对和碱基堆积是对折叠的自由能贡献的主要部分，因此，良好的二级结构估计不仅有助于解释RNA分子的功能和反应性，而且有助于分析RNA分子的三级结构。

利用最近邻热力学模型预测RNA二级结构

RNA序列的二级结构是由其碱基之间的相互作用决定的，包括氢键和碱基堆积。RNA二级结构预测的许多方法之一是使用最近邻模型，将与RNA结构相关的总自由能最小化。通过对碱基对堆积、发夹、凸起、内部环和多分支环的能量贡献进行求和，估计出最小自由能。这些元素的能量贡献是与序列和长度有关的，已经被实验确定为[1]。的rnafold函数使用最近邻热力学模型来预测RNA序列的最小自由能二级结构。更具体地说，算法实现rnafold利用动态规划方法计算所有可能的初等子结构的能量贡献，然后通过考虑总自由能最小的初等子结构的组合来预测二级结构。在此计算中，不考虑同轴叠加螺旋的贡献，也不考虑伪结(非嵌套结构单元)的形成。

转移RNA苯丙氨酸的二级结构

trna是一种小分子(73-93个核苷酸)，在转译过程中将特定的氨基酸转移到核糖体位置的生长多肽链上。虽然每个氨基酸类型至少存在一个tRNA分子，但不同tRNA类型之间的二级和三级结构都很保守，这很可能是由于需要与核糖体保持可靠的相互作用。我们考虑下面的tRNA-Phe序列酿酒酵母并利用该函数预测了最小自由能二级结构rnafold．

% ===用括号表示预测二级结构phe_seq =“GCGGAUUUAGCUCAGUUGGGAGAGCGCCAGACUGAAGAUCUGGAGGUCCUGUGUUCGAUCCACAGAAUUCGCACCA”；phe_str = rnafold (phe_seq)

phe_str  = '(((((((..((((........)))).(((((.......))))).....(((((.......))))))))))))....'

在括号表示法中，每个点代表一个未配对的基数，而一对嵌套相同的前后括号代表一个基数对。利用该函数可以绘制RNA二级结构的替代表示rnaplot．例如，上面预测的结构可以显示为根树，其中叶节点对应于未配对的残基，内部节点(除了根)对应于碱基对。通过单击相应的节点，可以显示每个剩余的位置和类型。

% ===图RNA二级结构为树rnaplot (phe_str“>”phe_seq,“格式”，“树”）;

tRNA的二级结构通常用图表表示，类似于三叶草的叶子。它显示了四个碱基配对的茎(或“臂”)和三个环。4个茎段分别为受体茎(位置1-7和66-72)、d -茎(位置10-13和22-25)、反密码子茎(位置27-31和39-43)和t -茎(位置49-53和61-65)。我们可以把tRNA的二级结构绘制成二维图，每个残基都用一个点标识，主链和氢键用点之间的线表示。茎由连续的碱基配对残基(蓝点)组成，而环则由未配对残基(红点)组成。

% ===使用点图表示绘制二级结构rnaplot (phe_str“>”phe_seq,“格式”，“点”）;文本(500、200、“T-stem”）;文本(100、600、反密码子干的）;文本(550、650、“D-stem干”）;文本(700、400、承兑人干的）;

虽然所有的茎对分子的三维折叠和成功地与核糖体和tRNA合成酶相互作用都很重要，但受体茎和反密码子茎特别有趣，因为它们包括附着位点和反密码子三联体。附着位点(位置74-76)位于RNA链的3'端，由所有氨基酸受体茎中的C-C-A序列组成。反密码子三联体由3个碱基组成，它们与信使RNA中的互补密码子配对。在phetrna中，反密码子序列A-A-G(位置34-36)与mRNA密码子U-U-C配对，编码氨基酸苯丙氨酸。我们可以重新绘制结构，并突出这些区域的受体干和反密码子干使用选择属性:

aag_pos = 34:36;cca_pos = 74:76;rnaplot (phe_str“序列”phe_seq,“格式”，“图”，．..“选择”(aag_pos cca_pos]);

该序列分离成四个单独的茎更好的理解显示结构为图形。每个残差都表示在横坐标上，半椭圆线连接彼此配对的碱基。二级结构中假结的缺乏体现在相交线的缺乏。这在tRNA二级结构中是预料到的，因为所使用的动态规划方法不允许假结。

rnaplot (phe_str“序列”phe_seq,“格式”，“图”）;

类似的观察结果可以通过将二级结构显示为一个圆来绘制，其中每个基底都由任意大小的圆周长上的一个点表示，相互配对的基底用线连接。这些线在视觉上被聚集成四个不同的组，由未配对残基的延伸分开。我们可以用H.Unpaired，手柄返回colorby属性设置为状态．

[ha, H] = rnaplot(phe_str，“序列”phe_seq,“格式”，“圆”，．..“colorby”，“状态”）;H.Unpaired.Visible =“关闭”；传说从；

如你所见，输出rnaplot函数包括MATLAB®结构H由句柄组成，可用于更改各种剩余子集的方面属性。例如，如果您使用colorby属性设置为残留，这些点是根据残留类型上色的，你可以使用适当的手柄改变它们的属性。

[ha, H] = rnaplot(phe_str，“序列”phe_seq,“格式”，“圆”，“colorby”，“残留”）

公顷=轴(Bioinfo: rnaplot:圆)属性:XLim: [1] YLim: 1.1000 [1] XScale:“线性”YScale:“线性”GridLineStyle:“-”位置:[0.1125 0.1100 0.6709 0.8150)单位:“正常化”的使用得到显示所有属性H =结构体字段:答:[1 x1线]C: [1 x1线]G: [1 x1线]U: [1 x1线]选择:(0 x1线)

H.G.Color = [0.5 0.5 0.5];H.G.Marker =‘*’；H.C.Color = [0.5 0.5 0.5];H.C.Marker =“+”；

苯基丙氨酸转移RNA的保存

尽管tRNAs分子的一级序列存在一些差异，但其二级结构模式在三个系统发育域中都很保守。考虑一个具有代表性的生物的每个系统发育域的tRNA-Phe结构:酿酒酵母真核生物的Haloarcula marismortui为古生菌，和栖热菌属酸奶的细菌。然后预测和绘制它们的次级结构使用山区plot表示。

酵母=“GCGGACUUAGCUCAGUUGGGAGAGCGCCAGACUGAAGAUCUGGAGGUCCUGUGUUCGAUCCACAGAGUUCGCACCA”；豪迈=“GCCGCCUUAGCUCAGACUGGGAGAGCACUCGACUGAAGAUCGAGCUGUCCCCGGUUCAAAUCCGGGAGGCGGCACCA”；theth =“GCCGAGGUAGCUCAGUUGGUAGAGCAUGCGACUGAAAAUCGCAGUGUCGGCGGUUCGAUUCCGCCCCUCGGCACCA”；yeast_str = rnafold(酵母);theth_str = rnafold (theth);halma_str = rnafold(豪迈);h1 = rnaplot (yeast_str,“序列”、酵母、“格式”，“山”）;标题(h1,“tRNA-Phe酿酒酵母的）;传说隐藏；h2 = rnaplot (halma_str,“序列”豪迈,“格式”，“山”）;标题(h2,“tRNA-Phe Haloarcula marismortui”）;传说隐藏；h3 = rnaplot (theth_str,“序列”theth,“格式”，“山”）;标题(h3,“tRNA-Phe栖热菌属酸奶的）;传说隐藏；

结果结构之间的相似性是惊人的，唯一的区别是d环上多了一个残差Haloarcula marismortui，显示在山地块的第一个平坦的斜坡上。

G-U摇摆基对

除了沃森-克里克碱基对(A-U, G-C)外，几乎每一类功能性RNA都有G-U摇摆碱基对。G-U对具有一系列独特的化学、结构和构象性质:它们对金属离子具有很高的亲和力，在热力学上几乎与沃森-克里克碱基对一样稳定，并且在不同的环境中具有构象灵活性。tRNA受体螺旋第三位的摆动对在几乎所有的生物中都是高度保守的。这种保守性表明G-U对具有其他配对难以复制的独特特征。根据碱基对的类型给碱基对上色，可以在二级结构图上观察碱基对的类型分布。

rnaplot (yeast_str“序列”、酵母、“格式”，“图”，“colorby”，“对”）;

参考文献

马修斯，萨宾娜，J，祖克，M，特纳，D。“热力学参数序列依赖性的扩展改进了RNA二级结构的预测”，《分子生物学杂志》，288(5):919 - 40,1999。