呂健雄 劉永帆

摘要:甲型H1N1流感病毒(influenzavirusA)基因組含有8個RNA基因片段,本文主要介紹了RNA的結(jié)構(gòu),以及目前計算機(jī)在RNA結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,以及應(yīng)用最多的預(yù)測工具。

關(guān)鍵字:H1N1;RNA分子;RNA二級結(jié)構(gòu)

2008年,墨西哥甲型流感的突然爆發(fā)使得甲型流感成為世界關(guān)注的焦點,繼SARS之后, 甲型流感的來襲使得人們對H1N1產(chǎn)生了新的巨大的恐懼,新的流感病毒或過去不為人類所感染的流感病毒通過自身的變異正悄然侵襲人類。甲型流感究竟是由何而來?它與普通的感冒又有什么不同呢?這里我們先來介紹一下什么是甲型流感。

1 甲型H1N1流感病毒特征

甲型(A)流感病毒(influenzavirusA)基因組含有8個RNA基因片段[1],最大的3個RNA片段PB2(polymeraseB2)、PB1(polymeraseB1)和PA(polymeraseA)編碼聚合酶;第4個編碼血凝素(he-magglutinin,HA)蛋白(表面糖蛋白,主要抗原);第5個編碼核蛋白(nucleoprotein,NP),其主要功能是RNA結(jié)合、合成和RNA核運(yùn)入;第6個編碼NA(neuraminidase,神經(jīng)氨酸酶活性,主要抗原)和NB(neuraminidaseB)蛋白(NB蛋白在感染中起輔助作用);第7個編碼基質(zhì)蛋白M1(matrixprotein1)和M2(matrixprotein2);第8個片段編碼非結(jié)構(gòu)蛋白NS1,通過剪接還可以編碼NEP/NS2蛋白。[2]

甲型流感病毒,包括上百種不同亞型的流感病毒。對于這些亞型的不同命名,來自于H和N的不同。所謂H和N,是指甲型流感病毒表面的兩大類蛋白質(zhì)。H是紅細(xì)胞凝集素(Hemagglutinin),其作用像一把鑰匙,幫助病毒打開宿主細(xì)胞的大門;N是神經(jīng)氨酸苷酶(Neuraminidase),能夠破壞細(xì)胞的受體,使病毒在宿主體內(nèi)自由傳播。

根據(jù)H和N的形態(tài),甲型流感病毒可由15種H型和9種N型進(jìn)行排列組合,比如H1N1和H5N1等。即使是同一種亞型的流感病毒,也可能因為基因序列的變化,在病毒的傳播性、致死率等方面出現(xiàn)很大差異。

2 RNA分子

RNA--核糖核酸(ribonucleic acid)是一類具有重要功能的生物大分子,RNA 分子在細(xì)胞生命的組成中起著巨大的作用,RNA 是從作為遺傳信息存儲體的DNA到構(gòu)成生命各種表征的蛋白質(zhì)之間的信息傳遞中介[3]。很多研究者從根本上探索生命的起源時,從化學(xué)進(jìn)化和生物學(xué)進(jìn)化的角度,提出了"RNA 世界(RNA World)"的學(xué)說[4],即認(rèn)為生命起源于RNA。隨著生物學(xué)家們在 RNA 研究領(lǐng)域不斷取得重大的突破和進(jìn)展。一批具有重要功能的 RNA 新類別被陸續(xù)發(fā)現(xiàn),使得人們對 RNA 的多樣性和復(fù)雜性有了新的深刻認(rèn)識。從而更加激發(fā)了人們認(rèn)識RNA的興趣。相對于RNA一維線性結(jié)構(gòu)上的多樣性而言,其二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的多樣性具有更多的生物學(xué)意義。RNA 二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測分析,對于研究RNA 分子的功能,具有極其重要的意義。由于RNA 分子的多樣性,現(xiàn)有RNA 二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方法存在參數(shù)敏感、計算復(fù)雜度高、預(yù)測精度較低等問題,傳統(tǒng)的預(yù)測手段已不能滿足需求。

3 計算機(jī)基本特點

3.1 強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力

計算機(jī)對數(shù)據(jù)的具有存儲容量大、處理量大、操作簡便、查詢方便、輸出檢索快速、分析結(jié)果準(zhǔn)確,同時還能做到有關(guān)的數(shù)據(jù)靈活增加、刪除、修改等。有人曾作過對比,利用計算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行檢索所需時間,只有手工方法檢索的幾千分之一。

3.2 強(qiáng)大計算功能

計算機(jī)能夠使技術(shù)人員按照自己編制的程序,輸入或貯存原始數(shù)據(jù),并迅速地進(jìn)行統(tǒng)計分析,根據(jù)得到的所要數(shù)據(jù),做出合理的決策。計算機(jī)具有越來越強(qiáng)大計算功能,運(yùn)算速度快,能夠顯著地提高分析處理數(shù)據(jù)能力,減少計算誤差,提高計算的準(zhǔn)確性及工作效率。

3.3 究錯能力強(qiáng),安全性能好

計算機(jī)在數(shù)據(jù)錄入時能夠采用全屏幕編輯方式,并能對輸入接收范圍做出規(guī)定,若是非法輸入將會提出警告信息,及時究錯,從而保證了輸入的正確性。在數(shù)據(jù)使用時可對主控模塊和有關(guān)功能模塊分別設(shè)置口令,規(guī)定使用權(quán)限。

3.4 維護(hù)性、擴(kuò)充性能好

計算機(jī)管理采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計系統(tǒng),層次清晰。程序編制時,使各模塊間聯(lián)系僅有一個入口和一個出口,能夠做到盡量少,而每一模塊內(nèi)聯(lián)系盡量使之緊密,具有獨立性,所以維護(hù)、擴(kuò)充性能好。

3.5 強(qiáng)的邏輯判斷能力

計算機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的出現(xiàn),使得非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理成為計算機(jī)應(yīng)用的主流領(lǐng)域,大大改變了模擬方法的面貌,使得計算機(jī)具有強(qiáng)的邏輯判斷能力。

3.6 縮短時間和空間距離

計算機(jī)科學(xué)日漸成熟,現(xiàn)代信息技術(shù)幾乎對任何信息都能進(jìn)行數(shù)字化處理。同時現(xiàn)代信息技術(shù)利用客戶機(jī)服務(wù)器模式可以形成網(wǎng)絡(luò)化的信息高速公路,應(yīng)用程序和后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動態(tài)鏈接,實現(xiàn)資料數(shù)據(jù)共享,從而打破傳統(tǒng)的時空觀,有效縮短時間和空間距離。

4 RNA二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測

結(jié)構(gòu)和功能是息息相關(guān)的,在物理方法測定結(jié)構(gòu)沒有得到質(zhì)的飛躍之前,結(jié)構(gòu)預(yù)測問題仍舊是生物學(xué)和生物信息學(xué)研究者所共同關(guān)心的問題。不同于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu),RNA一般為一維線性結(jié)構(gòu),但是很多RNA需要通過堿基配對原則形成一定的二級結(jié)構(gòu)乃至三級結(jié)構(gòu)來行使生物學(xué)功能。相對于 RNA 一級線性結(jié)構(gòu)上的多樣性而言,其單鏈自身回折形成的特征性二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的多樣性具有更多的生物學(xué)意義。隨著研究的不斷深入和發(fā)展,出現(xiàn)了大量的核酸數(shù)據(jù)庫(如RNA virus database等),其中包含了海量的RNA 一級序列數(shù)據(jù),如果通過單純的物理實驗方法去測定很不容易。雖然測得的結(jié)果非常精確可靠,可是面對當(dāng)前海量的生物序列,這樣做實驗的費(fèi)用大,需要的時間較長。相比之下,基于計算方法預(yù)測RNA 的二級結(jié)構(gòu),則能較好地解決這個問題。計算機(jī)可根據(jù)輸入的RNA 序列數(shù)據(jù),使用現(xiàn)有的預(yù)測工具,直接預(yù)測出相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu),大大提高我們認(rèn)識 RNA 空間結(jié)構(gòu)的效率。RNA 二級結(jié)構(gòu)預(yù)測問題,根據(jù)不同的情況衍生了不同的預(yù)測思路。

5 計算機(jī)在RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用

目前有多種用于RNA 二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的軟件和在線預(yù)測的網(wǎng)址,使用效果比較好的分別是:RNAfold、mfold、Srna、CARNAC、MARNA、Pfold、和RNAStructure,在這里我們所使用的是mfold的在線預(yù)測。Mfold是根據(jù)最小自由能模型的Zuker 動態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行預(yù)測的,所預(yù)測的序列為單一序列,Mfold工具的優(yōu)越性有以下幾個方面:可以人為設(shè)定先驗知識; 支持環(huán)形RNA 的預(yù)測;可以設(shè)置內(nèi)環(huán)/ 凸環(huán)的最大值;可以設(shè)置內(nèi)環(huán)的最大不對稱值; 可以設(shè)置堿基對之間的最大距離; 每次提供多個可選擇結(jié)構(gòu); 提供圖形化界面輸出,只能預(yù)測單個序列。

6總結(jié)

綜上,借助于計算機(jī)手段和各種數(shù)學(xué)方法從理論上去預(yù)測 RNA 的空間結(jié)構(gòu),為研究RNA 結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供重要信息,大大提高了認(rèn)識 RNA 空間結(jié)構(gòu)的效率和預(yù)測精度,得到具有生物學(xué)意義的預(yù)測結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]NicholsonKG,WoodJM,ZambonM.Influenza[J].Lancet,2003,362:1733-1745.

[2]2009年新型甲型H1N1流感病毒全基因組序列重組分析 殷建華等第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報 2009年6月第30卷第6期

[3]Caspersson T, Schultz J. Pentose nucleotides in the cytoplasm of growing tissues. Nature,1939, 143:602-603.

[4]Szathm?ary E. The origin of the genetic code: amino acids as cofactors in an RNA world.Trends Genet., 1999, 15(6):223-229.