Rozprawa doktorska p.t.:

ModeRNA:

program komputerowy do przewidywania struktury

trzeciorzdowej RNA z zastosowaniem podejcia

modelowania homologicznego

Magdalena Rother

Pracownia Bioinformatyki

Instytut Biologii Molekularnej i Biotechnologii

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza

Pozna

Promotor: prof. dr hab. Janusz M. Bujnicki

Pracownia Bioinformatyki

Instytut Biologii Molekularnej i Biotechnologii

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza

Pozna

Pracownia Bioinformatyki i Inynierii Biaka

Midzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komrkowej

Warszawa

Pozna 2012

Podzikowania

Dzikuj mojemu promotorowi prof. dr hab. Januszowi M. Bujnickiemu

za niezwykle ciekawy okres studiw doktoranckich pod jego opiek.

Dzikuj Dziekanowi Wydziau Biologii prof. dr hab. Bogdanowi Jackowiakowi

oraz Dyrektorce Instytutu Biologii Molekularnej i Biotechnologii prof. dr hab. Zofii

Szweykowskiej-Kuliskiej za pomoc i wsparcie. Dzikuj Radzie Wydziau Biologii UAM

za przeprowadzenie mojego przewodu doktorskiego oraz dr Karolinie Stefaniak za cenne

rady i wskazwki.

Dzikuj prof. dr hab. Arturowi Jarmoowskiemu i prof. dr hab. Ryszardowi

W. Adamiakowi za czas powicony na recenzowanie niniejszej pracy.

Dzikuj prof. dr hab. Jordi Villa i Freixa i dr Raulowi E. Alcantara

oraz mgr Ignasio Buchowi za okazan gocinno.

Dzikuj wspautorom projektu ModeRNA. Mgr Tomaszowi Putonowi

za testowanie programu oraz przygotowanie funkcji find_clashes. Dr Kristianowi Rother

za przygotowanie czci testowej programu i funkcji fix_backbone. Mgr Kai Milanowskiej

za przygotowanie interfejsu Django serwera ModeRNA. Lic. Pawowi Skibie za prac nad

wstpn wersj moduu do modelowania izosterycznych par zasad. Lic. Jarosawowi

Jeleniewiczowi dzikuj za przygotowanie bazy struktur szablonw.

Prof. dr hab. Januszowi M. Bujnickiemu za wyznaczenie gwnych cech programu

ModeRNA.

Dzikuj mgr Kai Milanowskiej oraz mgr Tomaszowi Putonowi za opinie i uwagi

merytoryczne oraz redakcyjne na temat niniejszej pracy.

Dzikuj adiunktom, doktorantom, magistrantom i licencjuszom Pracowni

Bioinformatyki, z ktrymi miaam zaszczyt wsppracowa. W szczeglnoci dr Annie

Czerwoniec, dr Kristianowi Rotherowi, mgr Joannie Kasprzak, mgr Kai Milanowskiej,

mgr Annie Philips, mgr Tomaszowi Putonowi, lic. Pawowi Skibie, mgr Katarzynie

Mikoajczak, mgr Marcinowi Skorupskiemu, mgr Ewie Bielskiej, mgr Annie ukasik,

mgr Zuzannie Balcer, mgr Xavierowi Lucasowi i lic. Mateuszowi Koryciskiemu

za wspania atmosfer w pracy oraz ciekawe dyskusje, zarwno naukowe jak i prywatne.

Dzikuj koleankom i kolegom z Instytutu Biologii Molekularnej i Biotechnologii,

Wydziau Biologii UAM oraz Pracowni Inynierii Biaka za wymiany pogldw na temat

projektu ModeRNA, pracy naukowej i ycia, ktre pomagay mi rozwija si, jako

czowiekowi i naukowcowi w okresie studiw doktoranckich. W szczeglnoci dzikuj

dr Agnieszce Obarskiej-Kosiskiej, dr Elizie Gowskiej, dr Ewie Wywia, dr Michaowi

Bonieckiemu, dr Janowi Kosiskiemu, dr Wojciechowi Potrzebowskiemu,

mgr Natalii Osten-Sacken, mgr Halinie Pietrykowskiej, mgr Juliuszowi Stasiewiczowi

i mgr Irinie Tuszyskiej.

Dzikuj moim rodzicom, Boenie i Bogusawowi Musielak za wychowanie,

a w szczeglnoci za to, e nauczyli mnie wytrwale dy do celu. Dzikuj rwnie siostrze

Annie Musielak za wiar w moje moliwoci i okazane wsparcie.

Dzikuj mojemu mowi Kristianowi Rotherowi za to, e uczestniczy ze mn

nie tylko w sukcesach, ale rwnie wspiera mnie w trudnych chwilach. Dzikuj rwnie

naszemu synowi Wojtkowi Rotherowi, ktry cierpliwie dzieli mam z jej prac doktorsk.

Spis treci

1. Wstp .................................................................................................................................. 1

1.1. Budowa i funkcja RNA ............................................................................................... 3

1.2. RNA w nauce i medycynie ........................................................................................ 14

1.3. Sposoby ustalania struktury przestrzennej RNA ....................................................... 18

1.4. Opis problemu ........................................................................................................... 26

2. Cel pracy .......................................................................................................................... 27

3. Materiay .......................................................................................................................... 28

3.1. Pliki ze wsprzdnymi pooenia atomw struktur RNA ........................................ 28

3.2. Przyrwnania sekwencji tRNA ................................................................................. 29

4. Metody ............................................................................................................................. 31

4.1. Modelowanie homologiczne ...................................................................................... 31

4.2. Narzdzia programistyczne ....................................................................................... 33

4.3. Miary wykorzystane do ewaluacji modeli ................................................................. 38

4.4. Programy zewntrzne ................................................................................................ 41

5. Wyniki .............................................................................................................................. 43

5.1. Modelu homologicznego z programem ModeRNA .................................................. 43

5.2. Operacje zaimplementowane w programie ModeRNA ............................................. 46

5.3. Uycie programu ModeRNA ..................................................................................... 72

5.4. Architektura programu ModeRNA ............................................................................ 83

5.5. Modele zbudowane przy uyciu programu ModeRNA ............................................. 90

5.6. Program MARS do ewaluacji jakoci modeli RNA .................................................. 96

6. Dyskusja ........................................................................................................................... 99

6.1. Porwnanie programu ModeRNA z innymi metodami ............................................. 99

6.2. Ograniczenia i mocne strony programu ModeRNA ................................................ 107

6.3. Wybr szablonu i przygotowanie przyrwnania ..................................................... 111

6.4. Biblioteka fragmentw ............................................................................................ 114

6.5. Program MARS ....................................................................................................... 119

6.6. Perspektywy rozwoju programu ModeRNA ........................................................... 121

6.7. Wnioski .................................................................................................................... 123

7. Zacznik ........................................................................................................................ 125

7.1. Kod programu ModeRNA (CD) .............................................................................. 125

7.2. Wykaz identyfikatorw wykorzystanych plikw PDB ........................................... 125

7.3. Przyrwnanie 99 sekwencji tRNA .......................................................................... 126

Bibliografia ............................................................................................................................. 132

Spis rycin ................................................................................................................................ 142

Spis table ................................................................................................................................ 146

Finansowanie

Rozwj oprogramowania ModeRNA by finansowany przez:

Wydzia Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (grant PBWB-

03/2009 dla M.R.).

Polskie Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyszego (grant HISZPANIA/152/2006

dla J.M.B.).

Szsty Program Ramowy Komisji Europejskiej (Europejska Nagroda dla Modego

Naukowca w ramach sieci EURASNET Europejska Sie Splicingu Alternatywnego,

LSHG-CT-2005-518238 dla J.M.B.).

Rozwj serwera ModeRNA by finansowany przez:

Fundacj na rzecz Nauki Polskiej (grant TEAM/2009-4/2 dla J.M.B.).

Publikacje wynikajce z pracy

Rother, M., Rother, K., Puton, T. and Bujnicki, J.M. (2011) ModeRNA: a tool for

comparative modeling of RNA 3D structure, Nucleic Acids Res, 39, 4007-4022.

Musielak, M., Rother, K., Puton, T. and Bujnicki, J.M. (2010) ModeRNA builds RNA

3D Models from Template Structures, ERCIM News, 82, 19-20.

Rother, M., Milanowska, K., Puton, T., Jeleniewicz, J., Rother, K. and Bujnicki, J.M.

(2011) ModeRNA server: an online tool for modeling RNA 3D structures, Bioinformatics,

27 (17), 2441-2.

Rother, M., Rother, K., Puton, T. and Bujnicki, J.M. (2011) RNA tertiary structure

prediction with ModeRNA, Brief Bioinform, 12, 601-613.

1

1. Wstp

Kwas rybonukleinowy (R