Prediction of secondary structures of nucleic acids: algorithmic and physical aspects
Prédiction des structures secondaires dans les acides nucléiques: aspects algorithmiques et physiques
Résumé
Prediction of secondary structures in nucleic acids requires both an adequate physical model and powerful calculation algorithms. In our approach, we cut the molecules in sections of which the contributions to the global energy are context-dependent but roughly additive. The structure of minimum energy is obtained by a tree search under constraints of binary incompatibilities. Our algorithm of the “incompatibility islets” is shown to be more powerful than the “bit parallel forward checking” algorithm, well known in Artificial Intelligence. Recurrent algorithms, proposed by other authors are even more rapid, but often miss the correct structures, for they demand a strict additivity of the energetic contributions, physically unjustified. New strategies, required to deal with molecules of more than 200 nucleotides are discussed.
Our physical model has been improved by considering the special case of internal loops beginning with a G-A opposition. A bonus of 1.5 kcal. is attributed to such a feature, at each side of an internal loop. To illustrate our programs, we give the computed schemes for the 3′ termini of the small subunit ribosomal RNA.
La prédiction des structures secondaires des acides nucléiques exige à la fois un modèle physique pertinent et de puissants algorithmes de calcul. Dans la voie que nous avons suivie, nous découpons la molécule en zones dont les contributions à l'énergie globale de la structure dépendent du voisinage tout en étant approximativement additives. La structure d'énergie minimum est obtenue par des recherches arborescentes sous contraintes de compatibilité binaires. Notre algorithme des «îlots d'incompatibilité est présenté, et ses performances sont comparées à celles d'un algorithme classique en Intelligence Artificielle. Des algorithmes récurrents proposés par divers auteurs sont plus rapides mais manquent les bonnes structures car ils exigent une additivité stricte des valeurs énergétiques qui n'est pas physiquement justifiée. De nouvelles stratégies, applicables à des molécules de taille supérieure à 200 nucléotides sont discutées.
Notre modélisation physique du repliement est affinée ici par l'évaluation des oppositions G-A au début des boucles internes. En illustration, nous présentons les schémas d'appariement calculés pour les extrémités 3′ du RNA de la petite sous-unité ribosomale.