维也纳RNA二级结构服务器

摘要

简介

生物分子在结构和功能之间表现出密切的相互作用。因此，除了编码蛋白质外，越来越多的具有复杂功能的RNA分子带来了对RNA结构预测方法的需求。虽然预测三级结构通常是不可行的，但RNA二级结构领域是计算方法非常成功的一个例子。

第一个预测RNA序列最优二级结构的实用动态规划算法可以追溯到20多年前(1). 从那时起，它们被扩展到允许预测次优结构(2，三)和热力学系综(4)，允许为预测指定置信水平或“明确性”(5).

最近，有几种方法解决了预测一组相关RNA序列的一致结构的问题(6–11). 这种保守的结构特别有趣，因为尽管序列发生变化，但结构的守恒意味着结构必须具有重要的功能。通过使用序列协变增强能量规则，这些方法也获得了更好的预测精度。

维也纳RNA包(12)是一个免费软件包，用于实现RNA二级结构的预测和分析的各种算法。然而，该软件包主要面向Unix命令行用户和程序员。对于不太懂计算机的用户或偶尔的用户，它既不提供点击式图形用户界面，也不提供预编译的二进制文件。

维也纳RNA网站试图通过一个易于使用的web界面提供对最流行功能的访问来解决这些缺点。它由三个CGI脚本组成，分别相当于RNAfold、RNAlifold和RNAinverse命令行程序。虽然出于性能原因，服务器必须限制请求大小，但它们会为每个请求返回等效的命令行调用。这样，如果用户的需求超出web服务的限制，用户可以更轻松地过渡到本地安装的软件。

RNA折叠服务器

在这三种服务中，RNAfold服务器提供了最基本和最广泛的功能。输入由必须键入或粘贴到输入表单的文本字段中的单个序列组成。

在最简单的情况下，服务器仅使用Zuker和Stiegler的经典算法预测单个序列的最小自由能（mfe）结构(1). 除了mfe折叠外，服务器还可以通过John McCaskill的配分函数算法计算平衡基配对概率(4).

默认情况下，特纳组的RNA能量参数(13)但也可以通过选择John SantaLucia提供的DNA参数集来处理单链DNA序列(14).

折叠服务器输出由一个静态html页面组成，该页面将预测的mfe结构显示为括号中的字符串，并链接到为可视化而生成的绘图。可以生成三种类型的绘图。首先，使用naview布局方法将预测的mfe结构绘制为传统的二级结构图(15). 成对概率可以在所谓的“点图”中可视化：在n个×n个我们为每一对可能的画(我，j个)面积与概率成正比的盒子。最后，我们制作了一个山形图，描述了预测的mfe和配对概率。山区是指xy公司-绘制包围序列位置的碱基对数量的图（对于配对概率平均的封闭对的数量）。请参见图​图11所有三种表示的示例。

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图1

RNAfold服务生成的二级结构和结构集合的三种表示：结构图、山图和点图。从点图中可以清楚地看到，该序列有两个几乎同样好但非常不同的折叠。

二级结构图和点图始终以Postscript格式生成。Postscript的使用不仅是因为它提供了最高的打印质量，还因为它允许将实际数据嵌入到文件中，例如，所有成对概率都以易于解析的格式包含在点图中。另一方面，Postscript文件不能用于网页上的内联图像，并且需要其他软件进行查看（例如gsview、，http://www.ghostscript.com/).

一个合适的替代方案是可缩放矢量图形（SVG）的新标准(http://www.w3.org/Graphics/SVG). 使用支持SVG的浏览器的用户（通常通过使用Adobe的SVG插件，http://www.adobe.com/svg/)可以在SVG中请求结构图，这允许一些交互，例如切换注释。目前，服务器接受的序列最大长度为4000 nt，序列最多300个 当较长的作业被提交到批处理队列时，nt将被立即处理，在这种情况下，用户将在完成后收到电子邮件通知。

Alifold服务器

Alifold服务通过使用改进的动态编程算法，在标准能量模型中添加协方差项，预测一组对齐RNA或DNA序列的一致二级结构(11)同样，它支持mfe结构和配对概率的预测。用法与RNAfold服务几乎相同。通过输入表单上传预先计算的序列比对，而不是键入输入序列。目前，只接受Clustal格式的比对。服务器限制上传大小和对齐长度，当前限制为10 Kb和2000 分别为nt。

结果再次显示在Postscript图中，这些图通过序列变化信息得到了增强。在结构图中，支持预测结构的突变用圆圈标记，在点图和山图中，颜色用于指示不同对类型的数量。在线帮助页面上可以找到这些表示的示例和详细解释(网址：http://www.tbi.univie.ac/~ivo/RNA/alifoldcgi.html).

反向折叠服务器

找到折叠成预定义结构的序列是结构预测问题的逆问题。通常，设计这样的序列是有用的，例如为了实验测试关于功能结构的假设。虽然这通常是为非常短的序列手动完成的，但它很快就会变得冗长且容易出错。

我们的反向折叠服务将序列设计视为序列空间中的一个优化问题，通过启发式解决(12). 基于mfe和配分函数折叠，还有两种变体。在第一种情况下，我们最小化了预测的mfe结构和期望的目标结构之间的差异。在第二种情况下，我们优化了热力学系综中目标结构的频率。虽然mfe优化通常会产生略微稳定的序列，即具有许多可供选择的折叠，但通过分配函数优化会产生对目标结构具有强烈偏好的序列。

输入仅由括号表示法中所需的结构组成。当前最大结构长度为100 搜索所需的时间因目标结构的普遍性而异。大多数有效的二级结构字符串从来不会作为某些序列的mfe结构出现（即许多序列设计问题没有解决方案），而其他一些则极为常见（例如，请参阅16). 相反，该算法执行的搜索步骤数可以很好地指示序列空间中结构的频率。

未来计划

此处介绍的维也纳RNA二级结构服务器仅提供对维也纳RNA软件包中功能子集的基本访问。然而，它们为偶尔需要RNA结构预测的用户提供了一个方便的界面，并为那些新进入该领域的用户提供一个浅的学习曲线。

目前正在进行进一步改进结果可视化的工作，例如通过绘制带有各种明确性度量的注释的结构图。随着支持SVG的浏览器越来越广泛，SVG图形和客户端javascript的组合应该允许用户以交互方式探索预测的结构。

服务器生成的输出网页是为交互式用户设计的，因此不适合自动解析和进一步处理结果。为了促进与其他程序和web服务的互操作，我们计划以标准化数据交换格式提供输入和输出。最近提出的RNAML格式是一个很有希望的候选者(17)，一种基于XML的语言，用于存储有关RNA序列和结构的信息。

虽然服务器目前运行在一款过时的双机Pentium II 450上 MHz机器，使用批处理排队系统可以在必要时将作业分配给其他机器。

致谢

参考文献