JPWO2007116787A1

JPWO2007116787A1 - Ｒｎａの二次構造予測方法、予測装置及び予測プログラム

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Publication number: JPWO2007116787A1
Application number: JP2008509798A
Authority: JP
Inventors: 穣秋冨
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Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2009-08-20
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Abstract

シュードノット構造など二次構造の予測が困難であった二次構造の予測を行い得るＲＮＡの二次構造予測方法及びこの予測方法を用いたＲＮＡの二次構造予測装置を提供する。本発明によるＲＮＡの二次構造予測方法は、対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を探索する工程と、前記ステム構造を構成する各塩基の自由エネルギーに基づいて、ステム構造候補を設定する工程と、前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する工程と、前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する工程と、前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する工程と、前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程と、を有することを特徴とする。

Description

本発明は、ＲＮＡの二次構造予測方法、この予測方法を用いた予測装置及びこの予測方法を実行する予測プログラムに関する。

ＲＮＡは、アデニン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）及びウラシル（Ｕ）の４種類の塩基からなる核酸であり、ＡとＵ、ＧとＣなどの組み合わせで水素結合を形成して塩基対となり、その組み合わせによって様々な二次構造を形成する。このＲＮＡの二次構造の種類としては、塩基対の連続する領域であるステム構造をはじめ、例えば図７Ａにあるような様々な二次構造が挙げられる。とりわけ、機能性ＲＮＡにおいて、二次構造以上の高次構造は、ＲＮＡの機能と密接に関わる。そのため、ＲＮＡの構造を知ることは、非常に重要である。しかしながら、実験的なＲＮＡの構造解析には、多大な労力とコスト等を必要とする。従って、コンピューター等による構造予測シミュレーションを行う方法が古くから研究されてきた。従来の二次構造の予測方法の一例としては、例えば特許文献１のようなものがある。

従来のＲＮＡの二次構造を予測する方法のうち、一本のＲＮＡ配列から二次構造の予測を行う方法は、大きく分けて２通りの方法が存在する。その一つは、動的計画法を用いて自由エネルギーの計算を行う手法であり、他の一つは、先にステム構造候補を列挙して、ニューラルネットワークなどを用いてその組み合わせの最適化を図る方法である。これらについては、非特許文献１などに述べられており、特に動的計画法による二次構造予測及びその自由エネルギー計算に用いるパラメータについては、非特許文献２などに詳しく述べられている。

動的計画法による二次構造を予測する方法を用いる場合、その計算は、比較的高速であるが、シュードノット構造の予測が困難である。一方、組み合わせ最適化を用いる手法では、シュードノット構造を予測することはできても、比較的低速であるという特徴がある。

また、このどちらの方法を用いたとしても、ＲＮＡがシュードノット構造をとるときの自由エネルギーの値は実験的に調査されていないため、構造予測にシュードノット構造のパラメータを用いることができないという問題がある。

さらに、この他にも、ＲＮＡの二次構造予測に複数の配列を用いて、その進化学的関係から二次構造予測を行う手法（構造アラインメントによる方法）なども存在するが、この方法は、性質上、人工的に合成されたＲＮＡの構造予測に用いることはできない。
特許公開平８−１５４６７７号公報金久實著、「ポストゲノム情報への招待」、共立出版、２００１年６月１０日、ｐ．１０８−１１１岡崎康司／坊農秀雅監訳、「バイオインフォマティクスゲノム配列から機能解析へ」、株式会社メディカル・サイエンス・インターナショナル、ｐ．２１２−２４２Ｇｏｒｏｄｋｉｎら著、"Ｄｉｓｃｏｖｅｒｉｎｇｃｏｍｍｏｎｓｔｅｍ−ｌｏｏｐｍｏｔｉｆｓｉｎｕｎａｌｉｇｎｅｄＲＮＡｓｅｑｕｅｎｃｅｓ"、２００１年、ＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓＲｅｓｅａｒｃｈ、２９巻、１０号、ｐ．２１３５−２１４４

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、シュードノット構造など二次構造の予測が困難であった二次構造の予測を行い得るＲＮＡの二次構造予測方法及びこの予測方法を用いたＲＮＡの二次構造予測装置を提供することを目的とする。

本発明によるＲＮＡの二次構造予測方法は、対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を探索する工程と、前記ステム構造を構成する各塩基の自由エネルギーに基づいて、ステム構造候補を設定する工程と、前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する工程と、前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する工程と、前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する工程と、前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によるＲＮＡの二次構造予測装置は、対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を検索して、ステム構造候補を設定するステム構造候補探索手段と、前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する確定ステム構造設定手段と、前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する配列構造状態調査手段と、前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する配列エネルギー状態計算手段と、前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する追加ステム構造探索手段と、を有することを特徴とする。

本発明によるＲＮＡの二次構造予測プログラムは、対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を探索する工程と、
前記ステム構造を構成する各塩基の自由エネルギーに基づいて、ステム構造候補を設定する工程と、
前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する工程と、
前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する工程と、
前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する工程と、
前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程と、
を実行することを特徴とする。

第１の効果は、自由エネルギー計算によるシュードノット構造を含んだ二次構造の予測ができることにある。

その理由は、シュードノット構造をステム構造の周辺の構造のパターンに応じた他の二次構造の組み合わせに置換して構造予測を行うためである。

本発明によるＲＮＡの二次構造予測装置の一例を示す概念図である。本発明によるＲＮＡの二次構造予測方法のフローチャートの一例である。ステム構造候補探索のフローチャートである。配列構造状態調査のフローチャートである。配列エネルギー状態計算のフローチャートである。追加ステム構造探索のフローチャートである。ＲＮＡの二次構造の例を示す概略図である。本発明における二次構造の判定式の一例である。ステム構造領域を示す概略図である。未検索領域の一例を示す概略図である。入力ＲＮＡ配列の構造状態とこれに対応する自由エネルギーの一例を示す。未検索領域の一例を示す他の概略図である。入力ＲＮＡ配列の構造状態とこれに対応する自由エネルギーの一例である。未検索領域の一例を示すさらに他の概略図である。

符号の説明

１入力装置
２データ処理装置
３記憶装置
４出力装置
２１ステム構造候補探索手段
２２確定ステム構造設定手段
２３配列構造状態調査手段
２４配列エネルギー状態計算手段
２５追加ステム構造探索手段
２６配列構造エネルギー状態計算手段
３１記憶部記憶部
３２ステム構造候補記憶部
３３確定ステム構造記憶部
３４配列構造状態記憶部
３５配列エネルギー状態記憶部

本発明は、一本のＲＮＡによるステム構造の組み合わせ最適化の方法の一つとして分類されると考えられるが、予測には自由エネルギー計算を用いる。自由エネルギー計算を行う上で問題となるシュードノット構造を、その周辺のステム構造との位置関係によって、既知の他の構造の組み合わせとして扱うことによって、自由エネルギー計算を実現する。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態につき、説明する。

本発明によるＲＮＡの二次構造予測装置は、図１を参照すると、キーボードなどの入力装置１と、プログラム制御により動作するデータ処理装置（コンピュータ；中央処理装置；プロセッサ）２と、情報を記憶する記憶装置３と、ディスプレイ装置や印刷装置等の出力装置４とを有する。

記憶装置３は、記憶部記憶部３１と、ステム構造候補記憶部３２と、確定ステム構造記憶部３３と、配列構造状態記憶部３４と、配列エネルギー状態記憶部３５とを備える。

記憶部記憶部３１は、塩基対が連続することによる自由エネルギーの値、ループ構造が形成されることによる自由エネルギーの値、許容される最低のステム構造の長さ、シュードノット構造の長さ、二次構造予測の試行回数などの、計算中には変更されない数値情報を予め記憶する。

ステム構造候補記憶部３２は、ステム構造候補探索手段２１によって探索されステム構造の候補部位であるステム構造候補に関する各種の情報を記憶する。例えば、ステム構造候補記憶部３２は：ステム構造候補を構成する塩基；この塩基が入力されたＲＮＡ配列（以下、入力ＲＮＡ配列とも称する。）において例えばＲＮＡ配列の末端から何残基目の塩基に相当するかという情報；ステム構造候補がステム構造を形成した際の自由エネルギーの値；等を記憶する。この際、ステム構造候補は、各ステム構造の保持する自由エネルギーの昇順に整列されてもよく、ユーザーの所望に応じた順序に整列されてもよい。

確定ステム構造記憶部３３は、その周回で採用されることが決まったステム構造候補が、ステム構造候補記憶部３２のどこに記憶されているかを記憶する。

配列構造状態記憶部３４は、入力されたＲＮＡ配列についての計算の過程で各塩基がどのような構造状態をとっているか等の、配列構造状態調査手段２３によって判定された結果を記憶する。構造状態としては、ステムの一部、バルジループの一部、内部ループの一部、ヘアピンループの一部、多岐ループの一部、一本鎖、ＲＮＡ配列の端の一部などの末端構造が挙げられる。

配列エネルギー状態記憶部３５は、配列構造状態記憶部３４に記憶されている各構造状態の自由エネルギー等に基づいて配列エネルギー状態計算手段２４によって計算した結果の数値（例えば、各構造状態のエネルギー状態を示すもの）を各塩基ごとに記憶する。隣接する同一の構造に含まれる塩基同士は、同一の数値を保持する。例えば、同一の内部ループの一部である塩基は全て、その内部ループが持つ自由エネルギーの値を保持する。

データ処理装置２は、ステム構造候補探索手段２１と、確定ステム構造設定手段２２と、配列構造状態調査手段２３と、配列エネルギー状態計算手段２４と、追加ステム構造探索手段２５とを備える。

ステム構造候補探索手段２１は、入力装置１から入力されたＲＮＡ配列について、記憶部記憶部３１に記憶されている情報（塩基対が連続することによる自由エネルギーの値、ループ構造が形成されることによる自由エネルギーの値、許容される最低のステム構造の長さ、シュードノット構造の長さ、二次構造予測の試行回数など）を用いて、この入力されたＲＮＡ配列のうち、ステム構造をとり得る領域を探索するとともに、そのステム構造が形成されたときに保持するであろう自由エネルギーを計算する。ステム構造候補探索手段２１は、この探索及び計算により得た、ステム構造をとり得る領域をステム構造候補と設定してステム構造候補記憶部３２に記憶すると共に、各ステム構造候補の自由エネルギーを、探索結果として、ステム構造候補記憶部３２に記憶する。

確定ステム構造設定手段２２は、ステム構造候補記憶部３２からステム構造候補の情報（塩基の情報、自由エネルギーの情報等）を受け取り、後の調査、計算、探索等を行う対象となるステム構造候補を選択して、確定ステム構造記憶部３３に記憶する。選択の対象となるステム構造候補は、入力されたＲＮＡ配列についての探索、調査、計算等に応じて、異なる。例えば、二次構造予測の試行回数が１回目の場合、入力装置１から入力されたＲＮＡ配列についてステム構造候補が探索され、これらのステム構造候補が上述の通りに整列された後、確定ステム構造設定手段２２が最初に選択するステム構造候補は、ステム構造候補探索手段２１が整列した最上位にあるステム構造候補である。この場合、確定ステム構造設定手段２２は、このステム構造候補を、確定ステム構造として、確定ステム構造記憶部３３に記憶する。また、試行回数が２回目の場合、確定ステム構造設定手段２２は、試行回数が１回目である場合に確定ステム構造設定手段２２が選択したステム構造候補（つまり、確定ステム構造記憶部３３に記憶されている確定ステム構造の最上位のステム構造候補）の次の順番に整列されたステム構造候補を確定ステム構造と設定する。このようにして、確定ステム構造設定手段２２は、これ以降、試行回数に応じて、確定ステム構造記憶部３３に記憶された、整列されたステム構造候補を順に確定ステム構造と設定する。

配列構造状態調査手段２３は、確定ステム構造記憶部３３に記憶されている確定ステム構造の塩基情報などの各種情報を受け取り、入力ＲＮＡ配列中の該当する塩基をステム構造の一部に含まれる状態であると指定する。次に、配列構造状態調査手段２３は、このステム構造を構成する末端塩基を境に、入力ＲＮＡ配列の領域のうち、このステム構造を構成する領域と、残りの塩基で構成される領域とに区切る。その後、配列構造状態調査手段２３は、このように区切られた各領域とステム構造との位置関係から構造状態を判定して、その結果を配列構造状態記憶部３４に記憶する。

配列エネルギー状態計算手段２４は、記憶部記憶部３１から実験で調査されている塩基対やループ構造の持つ自由エネルギーについての情報と、配列構造状態記憶部３４から入力ＲＮＡ配列の構造状態の情報とを受け取り、入力ＲＮＡ配列の各領域の構造状態に対応した自由エネルギーの値を逐次計算し、その領域に含まれる各塩基にその値を保持させて、その結果を配列エネルギー状態記憶部３５に記憶する。

追加ステム構造探索手段２５は、ステム構造候補記憶部３２からステム構造候補の情報を受け取り、確定ステム構造記憶部３３に記憶されているステム構造に含まれる各塩基と重複しない塩基によってのみ構成されるステム構造候補を追加されるステム構造の候補（以下、追加ステム構造候補とも称する。）とする。

次に、追加ステム構造探索手段２５は、この追加ステム構造候補を確定ステム構造とするかについて探索する。つまり、追加ステム構造探索手段２５は、確定ステム構造記憶部３３に記憶されている確定ステム構造を反映した入力ＲＮＡ配列の構造状態と、この確定ステム構造を反映した入力ＲＮＡ配列に追加ステム構造候補を反映させたＲＮＡ配列の構造状態とを、自由エネルギーの点で比較して、より自由エネルギーの状態が低い構造状態をとり得る追加ステム構造候補を、追加すべきステム構造として確定ステム構造と判定する。

追加ステム構造探索手段２５が、追加すべきステム構造として確定ステム構造と判定することについて、説明する。追加ステム構造探索手段２５は、まず、確定ステム構造記憶部３３に記憶されている確定ステム構造によって形成される二次構造の各塩基ごとの構造の情報を配列構造状態記憶部３４から受け取り、且つその二次構造における各塩基が含まれる構造ごとのエネルギーの状態を配列エネルギー状態記憶部３５から受け取る。次に、追加ステム構造探索手段２５は、この二次構造の自由エネルギーと、この二次構造に追加ステム構造候補が実際に追加されたときに生じる二次構造の変化による入力ＲＮＡ配列全体の自由エネルギーとの変化量（差分）を計算する。

この変化量の計算は、全ての追加ステム構造候補について行われる。この変化量のうち、負の最小値を与える追加ステム構造候補は、追加すべきステム構造と判定されて、確定ステム構造として確定ステム構造記憶部３３に記憶される。この確定ステム構造は、入力ＲＮＡ配列に反映されて一定の二次構造を与える。この反映された二次構造について、配列構造状態調査手段２３において、配列構造状態を計算し、配列エネルギー状態計算手段２４においてその自由エネルギーを計算する。

一方、この変化量の最小値が正の値であった場合、その周回の二次構造予測はそこで打ち切られ、その時点で確定ステム構造記憶部３３に記憶されているステム構造を過不足なく含む二次構造を出力装置４に出力する。この後、その時点での二次構造予測の試行回数が、記憶部記憶部３１に記憶されている二次構造予測の試行回数に満たない場合は、確定ステム構造設定手段２２以下の手順を繰り返し、規定回数に達した場合は計算を打ち切る。

本発明において、入力装置１、データ処理装置２、記憶装置３及び出力装置４は、それぞれ一体のコンピューター上に設けられてもよく、それぞれをインターネットなどの回線を介して別々のコンピューター上に設けられてもよい。

なお、図１において、データ処理装置２と記憶装置３とを結ぶ矢印のうち、データ処理装置２の各手段から伸びる矢印を破線で示し、記憶装置３の各部から伸びる矢印を実線で示す。

次に、図１、及び図２乃至図６を参照して、本発明を詳細に説明する。

入力装置１から与えられたＲＮＡ配列（入力ＲＮＡ配列）の文字列情報は、ステム構造候補探索手段２１に供給される（図２のステップＡ１）。塩基対が連続することによる自由エネルギーの値、ループ構造が形成されることによる自由エネルギーの値、許容される最低のステム構造の長さ、シュードノット構造の長さ、二次構造予測の試行回数などの規定値の情報は、あらかじめ記憶部記憶部３１に記憶されている。これらの値を変更する場合は、配列情報と同様に入力装置１から与えられ（図２のステップＡ２）、記憶部記憶部３１に記憶される。

ステム構造候補探索手段２１は、まず、この入力ＲＮＡ配列を構成する各塩基のうち塩基対を形成する可能性がある領域を探索し（図３のステップＡ３１）、その情報を元に、ステム構造（塩基対が連続する部位）が存在する可能性がある箇所を探索する（ステップＡ３２）。探索されたステム構造の候補は、その構造の持つ塩基対の連続による自由エネルギーの単純和を計算された後に（図３のステップＡ３３）、自由エネルギーの低い順番にソート（整列）される（ステップＡ３４）。ステム構造候補探索手段２１は、このようにソートされたステム構造候補について、各ステム構造候補を構成する塩基の情報と、そのステム構造候補のもつ自由エネルギーの情報とをセットにして、ステム構造候補記憶部３２に記憶する（ステップＡ３５）。ここで記憶されたステム構造候補は、二次構造予測の周回（試行回数）に応じて先頭から順に取り出され、形成されることが確定した最初のステム構造として確定ステム構造記憶部３３に記憶される（ステップＡ４）。

確定ステム構造記憶部３３から確定ステム構造の情報を受け取った配列構造状態調査手段２３は、まず、確定ステム構造を入力ＲＮＡ配列上に配置する（図４のステップＡ５１）。配置が終わったら、ステム構造に属さない塩基の領域について、近傍のステム構造の位置関係から、それぞれの領域の二次構造を調査（判定）する（図４のステップＡ５２）。この調査は、ＲＮＡ配列の二次構造において公知の構造に帰属させることで、行われる。図７Ａは、ＲＮＡの二次構造を示す概略図を示し、図７Ｂは、本発明における二次構造の判定式の一例を示す。

ここで、図７Ｂ中：
ステム構造に含まれる塩基で最もＲＮＡ配列の先頭に近いものを基準のＡとして；
ステム構造の同一鎖の反対側の端にある塩基をＢとし；
Ａと塩基対を形成する塩基をＣとし；
Ｂと塩基対を形成する塩基をＤとする。
また、「’」又は「’’」の有無により、同一のステム構造かどうかを区別する。
また、表に該当する（Ａ、Ｃ）又は（Ｂ、Ｄ）の組み合わせが無い場合は、それぞれの周辺構造はバルジループとする。

なお、一般的に、ステム構造の配列の端に当たる塩基は、ループ構造を形成しないと考え得るが、この調査においては、独自の二次構造を形成しているとみなす。このようにして、あるステム構造の周辺の構造の調査を行う。確定ステム構造の周辺に未調査の領域がある場合は、その周辺の構造の調査に移り、未調査（未判定）の領域が無い場合は、調査した構造の状態を配列構造状態記憶部３４に記憶する（図４のステップＡ５３及びステップＡ５４）。

配列の構造状態が決まったら、配列エネルギー状態計算手段２４は、配列構造状態記憶部３４から配列の構造状態を受け取り（図５のステップＡ６１）、記憶部記憶部３１に記憶されている規定値であるループ構造形成に伴う自由エネルギーの値を用いて、各領域の自由エネルギーの値を計算する。この際、その領域に含まれる塩基全てに同じ値を保持させてもよい（図５のステップＡ６２）。その配列の各塩基のエネルギー状態は、配列エネルギー状態記憶部３５に記憶される（図５のステップＡ６３）。

配列のエネルギー状態が求まると、追加ステム構造探索手段２５は、まず、ステム構造候補記憶部３２からステム構造候補を受け取り（図６のステップＡ７１）、ステム構造候補を構成する塩基について、確定ステム構造の塩基と重複が無いかを調査する（図６のステップＡ７２）。重複があった場合は、次のステム構造候補について再び重複の調査を行う。重複が無かった場合、このステム構造候補は、確定ステム構造に追加されるステム構造の候補（追加ステム構造候補）となる。追加ステム構造探索手段２５は、確定ステム構造を入力ＲＮＡ配列に反映して得られる構造状態と、この構造状態に追加ステム構造候補を反映させた構造状態との間で、それぞれの構造状態に由来する自由エネルギーの変化量（差分）を計算する（図６のステップＡ７３）。このときに計算された変化量の中で最低の（負の方向に最も大きい）値及び、その値が計算されたときのステム構造候補の情報は一時的に保持され、最低の値が更新される度に最低の変化量と追加ステム構造の候補が書き換わっていく（図６のステップＡ７４及びステップＡ７５）。

この重複の調査以下の手順は、未調査のステム構造候補が無くなるまで繰り返される（図６のステップＡ７６）。

未調査のステム構造候補がなくなると、追加ステム構造探索手段２５は、その時点の最低の変化量として保持されている値が正であるか負であるかを判定する（図２のステップＡ８）。

変化量が負の値の場合は、その時点で追加ステム構造探索手段２５に保持されている追加ステム構造候補が確定ステム構造として確定ステム構造記憶部３３に追加され、確定ステム構造記憶部３３の情報が更新される（図２のステップＡ９）。その後、再び配列構造状態調査手段２３以下の手順（ステップＡ５〜Ａ９）を繰り返す。

変化量が正の値であった場合は、その時点で保持されている追加ステム構造候補は、破棄される。その時点で確定ステム構造記憶部３３に記憶されている各確定ステム構造は、入力ＲＮＡ配列の二次構造の予測結果であり、この結果が出力装置４に出力される（図２のステップＡ１０）。

結果が出力されると、次は、現時点での二次構造予測の試行回数が判定される（図２のステップＡ１１）。現在の試行回数が規定値として入力されていた試行回数に満たない場合、ステム構造候補記憶部３２に記憶されているステム構造候補のうち、その回で確定ステム構造設定手段２２に設定されたステム構造候補（初回の試行においては、確定ステム構造）の次にソートされているステム構造候補を、確定ステム構造と設定して、上記の配列構造状態調査手段２３以下の手順を繰り返す（図２のステップＡ４）。規定の試行回数に達した場合は、計算を終了する。

次に、図８乃至１３等を参照して、具体例を用いて本実施例の動作を説明する。

今、入力装置１に入力ＲＮＡ配列としてＧＣＡＡＣＣＣＧＣＡＵＡＧＧＧが与えられたとする。その際に規定値の入力は無かったとすると、記憶部記憶部３１にあらかじめ入力されている自由エネルギーの情報などが以下の計算に用いられる。なお、便宜上、図８の「１」に対応する塩基「Ｇ」を５’末端とし、「１５」に対応する塩基「Ｇ」を３’末端と称して、以下、説明する。

ステム構造候補探索手段２１は、ステム構造候補として、例えば図８の白枠部（ステム候補領域１）及び斜線部（ステム候補領域２）のような、Ｇ−Ｃ、Ａ−Ｕ、Ｇ−Ｕの塩基対が連続する箇所を発見し、列挙する。ステム候補領域の自由エネルギーは、主に塩基対の積み重なりの種類によって固有の値の和で計算されるので、Ｇ−Ｃの塩基対が連続した場合の自由エネルギーの値が−２であると仮定すると、ステム候補領域１の自由エネルギーは、−４となり、ステム候補領域２の自由エネルギーは、−６となる。ステム構造候補探索手段２１は、各ステム構造候補を、例えば自由エネルギーの昇順にソートして、ステム構造候補記憶部３２に記憶する。図８に示した入力ＲＮＡ配列の場合、ステム構造候補探索手段２１は、このようにソートされた各ステム候補領域（ステム候補領域２、ステム候補領域１）の順と、これらステム候補領域を構成する塩基と、この領域の自由エネルギーの値とを、ステム構造候補記憶部３２に記憶する。

次に、確定ステム構造設定手段２２は、最初の確定ステム構造として、ステム構造候補記憶部３２の先頭に記憶されているステム構造候補であるステム候補領域２を設定し、確定ステム構造記憶部３３に記憶する。

配列構造状態調査手段２３は、まず、確定ステム構造記憶部３３に記憶されているステム構造候補のうちステム候補領域２の情報を受け取り、入力ＲＮＡ配列の該当する塩基をステム候補領域２の一部に含まれる状態であると指定する。あるステム構造が決まったとき、そのステム構造の周辺には４箇所の構造未判定領域が存在し得る。即ち、この４箇所の構造未判定領域とは、図９に示すように、入力ＲＮＡ配列の５’末端の５塩基目から５’末端方向の領域（未検索領域２−１）と、５’末端の７塩基目から３’末端方向の領域（未検索領域２−２）と、５’末端の１３塩基目から５’末端方向の領域（未検索領域２−３）と、５’末端の１５塩基目から３’末端方向の領域（未検索領域２−４）とである。それぞれの領域は、元のステム構造の領域を始点として、他のステム構造の領域或いは配列の端に到達するまでの領域である。

配列構造状態調査手段２３は、例えば、入力ＲＮＡ配列の５’末端に近い領域（この場合では未検索領域２−１）から調査する。すると、この場合、５’末端の５残基目から５’末端のまでの領域にはステム構造が存在しないため、未検索領域２−１は、入力ＲＮＡ配列の５’末端に接続することが分かる。この場合、未検索領域２−１は、四残基からなる一本鎖領域であるとする。次に、未検索領域２−２、及び未検索領域２−３を探索する。すると、これらは、それぞれ、未検索領域２−３の先頭、及び未検索領域２−２の先頭に接続することが分かる。この場合、未検索領域２−２（＝未検索領域２−３）は、五塩基からなるヘアピンループ構造を形成するということが分かる。最後に、未検索領域２−４の探索を行う。未検索領域２−４は、すぐに配列の端に接続するが、そこに含まれる塩基は一つも無いことが分かる。これでステム候補領域２に関してのステム周辺構造判定（図４のステップＡ５２）が終了する。

図８に示した入力ＲＮＡ配列の二次構造予測において、この時点で確定ステム構造記憶部３３に記憶されている確定ステム構造は、ステム候補領域２のみであるので、これで調査を終了する。

探索が終わると、配列構造状態調査手段２３は、調査したＲＮＡ配列の構造状態の情報を配列構造状態記憶部３４に記憶する。

次に、配列エネルギー状態計算手段２４は、配列構造状態記憶部３４から構造状態の情報を受け取り、記憶部記憶部３１から受け取った自由エネルギーのデータを用いて、各構造に対応した自由エネルギーを計算する。構造状態の情報より、入力ＲＮＡ配列は、四塩基からなる一本鎖領域（未検索領域２−１に対応）と、五塩基からなるヘアピンループ構造（未検索領域２−２及び２−３に対応）と、３つのＧ−Ｃペアからなるステム構造領域とで構成されていることが分かるため、一本鎖領域の自由エネルギーを０、五塩基からなるヘアピンループ構造の自由エネルギーを４とすれば、配列エネルギー状態計算手段２４は、配列エネルギー状態記憶部３５３５に、図１０のように、各塩基にそれぞれの構造状態に対応したエネルギーを記憶する。

次に、追加ステム構造探索手段２５は、ステム構造候補記憶部３２に記憶されているステム構造候補のうち、確定ステム構造に含まれていない塩基のみからなるステム構造候補をソート順にステム構造候補記憶部３２から受け取る。この場合、追加ステム構造探索手段２５は、まず図８のステム候補領域１を受け取る。配列構造状態記憶部３４に記憶されている入力ＲＮＡ配列の構造の情報によると、ステム候補領域１を構成する塩基は、現在のステム構造（つまり、ステム候補領域２）に含まれる塩基と重複していないため、ステム候補領域１は追加ステム構造候補になる。次に、確定ステム構造記憶部３３に記憶されているステム構造に追加ステム構造候補であるステム候補領域１を追加して配列構造状態調査手段２３に送る。

次に、配列構造状態調査手段２３は、図９に示す入力ＲＮＡ配列の構造状態に、ステム候補領域１を反映させた構造状態（つまり、図１１に示す入力ＲＮＡ配列の構造状態）について、調査する。即ち、上述の通りステム構造候補記憶部３２からステム候補領域１を受け取った配列構造状態調査手段２３は、上述のステム構造候補２について行った調査と同様に、まず、入力ＲＮＡ配列の該当する塩基をステム候補領域１の一部に含まれる状態であると指定する。その後、配列構造状態調査手段２３は、ステム候補領域１の周辺の構造状態を調査する。つまり、配列構造状態調査手段２３は、図１１に示すように、１塩基目から５’末端方向の領域（未検索領域１−１）と、２塩基目から３’末端方向の領域（未検索領域１−２）と、８塩基目から５’末端方向の領域（未検索領域１−３）と、９塩基目から３’末端方向の領域（未検索領域１−４）とについて、それぞれ探索する。まず、未検索領域１−１と未検索領域１−４とについて見ると、未検索領域１−１は、すぐに配列の端に接続するために含まれる塩基が無いのに対して、未検索領域１−４は、他のステム候補領域（ここでは、上述のステム候補領域２）に接続する。この場合、未検索領域１−１は、０塩基からなる一本鎖領域、未検索領域１−４は三塩基からなるバルジループ構造であると判定する。次に、未検索領域１−２と未検索領域１−３とについて探索すると、それぞれが同じステム構造の同じ側の鎖に接続する。この場合は、この未検索領域１−２及び未検索領域１−３は、それぞれ、長さ２のバルジループ構造、長さ０のバルジループ構造を形成していると判定する。このときのステム候補領域１の周辺の構造状態の情報を配列エネルギー状態計算手段２４に送る。

このときの配列エネルギー状態計算手段２４は、まず、先ほど判定されたステム候補領域１の周りの構造情報を用いて自由エネルギーを計算する。二塩基からなるバルジループ構造の自由エネルギーを２、三塩基からなるバルジループ構造の自由エネルギーを３であるとすると、自由エネルギーは図１２のように計算される。ここで、元々の構造である図９と、ステム候補領域１を反映させて得た構造である図１１とを比較すると、ステム候補領域１の形成によって構造が変化した部位は、図９の５塩基目から５’末端方向の領域の一本鎖領域と、７塩基目から１３塩基目までの間のヘアピンループ構造の領域とである。図１１に示す構造では、この領域の構造に代えて、ステム候補領域１のステム構造と、２塩基目から５塩基目までの間のバルジループ構造と、９塩基目から１３塩基目までの間のバルジループ構造とが新たに形成されていることが分かる。この場合の局所的な自由エネルギーは、図９の一本鎖領域とヘアピンループ構造との合計値である４から、ステム候補領域１のステム構造と二つのバルジループ構造との合計値である１に変化したことになる。これは自由エネルギーの変化量が負であったということであるので、ステム候補領域１は追加ステム構造として認められる（ステップＡ７４、ステップＡ７５）。今回はステム候補領域１以外のステム構造候補がステム構造候補記憶部に記憶されていないため、ステム候補領域１が新たな確定ステム構造として確定ステム構造記憶部３３に記憶される（ステップＡ７６）。

次に、配列構造状態調査手段２３は、確定ステム構造が増えたことに応じて、再び入力ＲＮＡ配列全体の構造状態を調査する。構造の調査は、各ステム構造を形成する塩基のうちで最も配列の先頭に近い塩基の配列の先頭からの距離の順によって順番に周辺構造が調査される。この場合、図８のステム候補領域１、ステム候補領域２の順で調査される。ステム候補領域１の周辺構造の判定については、先のものと同様である。ステム候補領域２の周辺構造については、図１３を参照すると、５塩基目から５’末端方向の領域（未検索領域２−１−２）、７塩基目から３’末端方向の領域（未検索領域２−２−２）、１３塩基目から５’末端方向の領域（未検索領域２−３−２）、及び１５塩基目から３’末端方向の領域（未検索領域２−４−２）が存在する。また、未検索領域２−１−２及び未検索領域２−４−２についてみると、未検索領域２−１−２は、ステム構造に接続し、未検索領域２−４−２は、配列の端に接続することが分かる。従って、未検索領域２−１−２は、二塩基からなるバルジループ構造であると判定され、未検索領域２−４−２は、０塩基からなる一本鎖領域であると判定される。また、未検索領域２−２−２及び未検索領域２−３−２では、どちらも同じステム構造の同じ側の鎖に接続することが分かるため、それぞれ０塩基からなるバルジループ構造、三塩基からなるバルジループ構造であることが分かる。ここで、未検索領域２−１−２、未検索領域２−２−２及び未検索領域２−３−２は、ステム候補領域１の周辺構造として既に構造が判定されている領域であるが、これはステム候補領域２の周辺構造として判定したものと結果が矛盾しないので、ステム候補領域２の周辺構造調査の結果をそのまま用いる。これで現時点の確定ステム構造の周辺構造を全て判定したので、配列構造状態調査手段２３は、調査したＲＮＡ配列の構造状態の情報を配列構造状態記憶部３４に、以前のものを上書きする形で、記憶する。

配列エネルギー状態計算手段２４は、先のＲＮＡ配列全体の自由エネルギー計算を行ったときと同様の処理を行い、その結果を配列エネルギー状態記憶部３５に以前のものを上書きする形で記憶する。

次に、追加ステム構造探索手段２５は、ステム構造候補記憶部３２に記憶されたステム構造候補のリストを参照して追加すべきステム構造候補を参照する。この場合、図８の配列において候補とすべきステム構造候補の全てについて上述の通り判定が終了しているので、追加ステム構造探索手段２５は、追加するステム構造がないと判定する（ステップＡ７６）。

以上をもって、入力ＲＮＡ配列に対する第一回目の二次構造予測は終了し、確定ステム構造記憶部３３に記憶されているステム構造であるステム候補領域１、ステム候補領域２を過不足無く含む構造（配列構造状態記憶部３４に記憶されている構造）が出力装置４によって出力される（ステップＡ１０）。ここで、記憶部記憶部３１に記憶されている二次構造予測の試行回数が２回以上であった場合は、確定ステム構造設定手段２２において、ステム候補領域１をステム構造候補としてステム構造候補記憶部３２から受け取り、上述と同様の手順により結果が出力される。

本発明の他の態様としては、図２においては二つの手順に分けられている配列構造状態調査手段２３と配列エネルギー状態計算手段２４とを一つにまとめて、行ってもよい。即ち、配列構造状態調査手段２３において未検索領域の構造が決定されると同時に、その領域のエネルギーを計算して構造の情報を配列構造状態記憶部３４に記憶し、エネルギーの情報を配列エネルギー状態記憶部３５に記憶するという配列構造エネルギー状態計算手段２６を用いて行ってもよい。

従って、本発明によるＲＮＡの二次構造予測方法、本発明によるＲＮＡの二次構造予測装置及び本発明によるＲＮＡの二次構造予測プログラムは、それぞれ、以上の工程を行う予測方法であり、以上の工程を行う各手段を有する予測装置であり、以上の工程を実行する予測プログラムである。

（例１）
下記の各配列（配列１〜２２）に関して、上述の通り、本発明によるＲＮＡの二次構造予測方法を用いて、ＲＮＡ配列の二次構造の予測を行い、非特許文献３に記載のｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ及びｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙを算出した。その結果を表１に示す。

配列１：ＧＧＡＡＣＣＧＧＵＧＣＧＣＡＵＡＡＣＣＡＣＣＵＣＡＧＵＧＣＧＡＧＣＡＡ
配列２：ＧＧＡＵＣＣＣＧＡＣＵＧＧＣＧＡＧＡＧＣＣＡＧＧＵＡＡＣＧＡＡＵＧＧＡＵＣＣ
配列３：ＧＧＡＣＣＧＵＣＡＧＡＧＧＡＣＡＣＧＧＵＵＡＡＡＡＡＧＵＣＣＵＣＵ
配列４：ＧＧＣＣＧＡＡＡＵＣＣＣＧＡＡＧＵＡＧＧＣＣ
配列５：ＧＧＣＧＡＵＡＣＣＡＧＣＣＧＡＡＡＧＧＣＣＣＵＵＧＧＣＡＧＣＧＵＣ
配列６：ＣＡＵＡＣＵＵＧＡＡＡＣＵＧＵＡＡＧＧＵＵＧＧＣＧＵＡＵＧ
配列８：ＧＧＧＡＧＣＵＵＧＡＵＣＣＣＧＧＡＡＡＣＧＧＵＣＧＡＵＣＧＣＵＣＣＣ
配列９：ＧＧＣＧＡＵＡＣＣＡＧＣＣＧＡＡＡＧＧＣＣＣＵＵＧＧＣＡＧＣＧＵＣ
配列１１：ＧＧＡＧＡＵＣＧＣＡＣＵＣＣＡ
配列１２：ＣＧＡＡＡＣＡＵＡＧＡＵＵＣＧＡ
配列１３：ＡＣＵＵＧＧＵＵＵＡＧＧＵＡＡＵＧＡＧＵ
配列１４：ＧＧＣＧＵＧＵＡＧＧＡＵＡＵＧＣＵＵＣＧＧＣＡＧＡＡＧＧＡＣＡＣＧＣＣ
配列１７：ＧＧＡＣＵＧＧＧＣＧＡＧＡＡＧＵＵＵＡＧＵＣＣ
配列２０：ＧＧＡＵＣＣＣＧＡＣＵＧＧＣＧＡＧＡＧＣＣＡＧＧＵＡＡＣＧＡＡＵＧＧＡＵＣＣ
配列２１：ＧＧＧＡＡＧＧＧＡＡＧＡＡＡＣＵＧＣＧＧＣＵＵＣＧＧＣＣＧＧＣＵＵＣＣＣ
配列２２：ＧＧＣＡＣＧＡＧＧＵＵＵＡＧＣＵＡＣＡＣＵＣＧＵＧＣＣ

（例２）
例１と同様の配列に関して、ＭＦＯＬＤ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｉｏｉｎｆｏ．ｒｐｉ．ｅｄｕ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｍｆｏｌｄ／ｏｌｄ／ｒｎａ／）を用いて、ＲＮＡ配列の二次構造の予測を行った以外は、例１と同様に、ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ及びｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙを算出した。その結果を表２に示す。

一般的に、ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ及びｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙが増加すると、精度よく予測されていると考えられる。本発明によるＲＮＡの二次構造予測方法の予測精度について上記（例１）と（例２）とを比較すると、平均値が増加した。従って、本発明により、ＲＮＡの二次構造の予測は、より精度よく行うことが可能であることが分かる。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。

Claims

対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を探索する工程と、
前記ステム構造を構成する各塩基の自由エネルギーに基づいて、ステム構造候補を設定する工程と、
前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する工程と、
前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する工程と、
前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する工程と、
前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程と、
を有することを特徴とするＲＮＡの二次構造予測方法。
前記のステム構造候補を設定する工程は、ステム構造の自由エネルギーの昇順に行われることを特徴とする請求項１に記載のＲＮＡの二次構造予測方法。
前記配列構造状態は、ステム構造、バルジループ構造、内部ループ構造、ヘアピンループ構造、多岐ループ構造、一本鎖及びＲＮＡ配列の末端構造からなる群から選択された構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＲＮＡの二次構造予測方法。
前記の配列エネルギー状態を計算する工程は、前記配列構造状態を構成する各塩基の自由エネルギーの単純和を計算する工程であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＲＮＡの二次構造予測方法。
前記の追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程は、前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とを差分して得た変化量が負である場合、該追加ステム構造候補を該新たな確定ステム構造と設定する工程であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＲＮＡの二次構造予測方法。
対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を検索して、ステム構造候補を設定するステム構造候補探索手段と、
前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する確定ステム構造設定手段と、
前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する配列構造状態調査手段と、
前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する配列エネルギー状態計算手段と、
前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する追加ステム構造探索手段と、
を有することを特徴とするＲＮＡの二次構造予測装置。
前記ステム構造候補探索手段は、前記ステム構造候補を自由エネルギーの昇順に整列することを特徴とする請求項６に記載のＲＮＡの二次構造予測装置。
前記配列構造状態は、ステム構造、バルジループ構造、内部ループ構造、ヘアピンループ構造、多岐ループ構造、一本鎖及びＲＮＡ配列の末端構造からなる群から選択された構造であることを特徴とする請求項６又は７に記載のＲＮＡの二次構造予測装置。
前記配列エネルギー状態計算手段は、前記配列構造状態を構成する各塩基の自由エネルギーの単純和を計算することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載のＲＮＡの二次構造予測装置。
前記追加ステム構造探索手段は、前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とを差分して得た変化量が負である場合、該追加ステム構造候補を該新たな確定ステム構造と設定することを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載のＲＮＡの二次構造予測装置。
対象となるＲＮＡ配列のうちステム構造を形成し得る塩基を探索する工程と、
前記ステム構造を構成する各塩基の自由エネルギーに基づいて、ステム構造候補を設定する工程と、
前記ステム構造候補から確定ステム構造を設定する工程と、
前記確定ステム構造の塩基情報に基づいて、前記ＲＮＡ配列の配列構造状態を調査する工程と、
前記配列構造状態に基づいて、前記ＲＮＡ配列を構成する各塩基の配列エネルギー状態を計算する工程と、
前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とに基づいて、該追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程と、
を実行することを特徴とするＲＮＡの二次構造予測プログラム。
前記のステム構造候補を設定する工程は、ステム構造の自由エネルギーの昇順に行われることを特徴とする請求項１１に記載のＲＮＡの二次構造予測プログラム。
前記配列構造状態は、ステム構造、バルジループ構造、内部ループ構造、ヘアピンループ構造、多岐ループ構造、一本鎖及びＲＮＡ配列の末端構造からなる群から選択された構造であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のＲＮＡの二次構造予測プログラム。
前記の配列エネルギー状態を計算する工程は、前記配列構造状態を構成する各塩基の自由エネルギーの単純和を計算する工程であることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のＲＮＡの二次構造予測プログラム。
前記の追加ステム構造候補を新たな確定ステム構造と設定する工程は、前記確定ステム構造を反映した前記ＲＮＡ配列の二次構造の配列エネルギー状態と、前記ステム構造候補から選択した追加ステム構造候補を該二次構造に反映した新たな二次構造の配列エネルギー状態とを差分して得た変化量が負である場合、該追加ステム構造候補を該新たな確定ステム構造と設定する工程であることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載のＲＮＡの二次構造予測プログラム。