KR100618667B1

KR100618667B1 - 알엔에이(ＲＮＡ) 슈도노트(Ｐｓｅｕｄｏｋｎｏｔ) 구조의시각화 방법

Info

Publication number: KR100618667B1
Application number: KR1020030033804A
Authority: KR
Inventors: 한경숙; 변양아
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2006-09-05
Also published as: US7974786B2; US20050042640A1; EP1482439A2; KR20040102430A; EP1482439A3

Abstract

본 발명은 H 타입을 포함하는 모든 타입의 RNA 슈도노트 구조를 선분 교차없이 평면적으로 명료하게 시각화하여 구조 파악을 용이하게 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법에 관한 것이다.

본 발명은 서열의 구조가 괄호로 표시되는 구조데이타로부터 각 구조요소, 괄호 쌍으로 묶여지는 단일 스템-루프, 다른 단일 스템-루프를 포함하는 복합 스템-루프, 다수의 스템부와 스템 사이에 구비되는 루프의 염기열 또는 스템-루프를 포함하는 내부구조요소로 구분되는 고슈도노트를 식별하고, 다른 구조요소를 포함하지 않는 최소 구조요소, 즉, 단일 스템-루프로부터 시각화를 수행한 후, 해당 단일 스템-루프 및 구조요소를 슈도노트에 소정 규칙에 따라서 삽입시킴으로서, 선분교차 없이 명확하게 RNA 슈도노트를 시각화하는 것이다.

바이오인포메틱스, RNA, pseudoknot, simple stem-loop, complex stem-loop,

Description

알엔에이(ＲＮＡ) 슈도노트(Ｐｓｅｕｄｏｋｎｏｔ) 구조의 시각화 방법{Visualization method of RNA Pseudoknot structures}

도 1의 (a) ∼ (d)는 종래 방식에 따라서 묘사된 H 타입 슈도노트들의 구조도이다.

도 2의 (a) ∼ (d)는 본 발명에 따라서 묘사된 H 타입 슈도노트들의 구조도이다.

도 3은 본 발명에 따라서 묘사된 다른 타입 슈도노트들의 구조도로서, (a)는 LL 타입 슈도노트이고, (b)는 HL_OUT타입 슈도노트이고, (c)는 HL_IN 타입 슈도노트이고, (d)는 HH 타입 슈도노트이고, (e)는 HHH 타입 슈도노트이다.

도 4는 본 발명에 따른 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법의 절차를 개략적으로 나타낸 플로우챠트이다.

도 5는 2개의 단일 스템-루프와 2개의 복합 스템-루프를 갖는 구조데이타의 예시도이다.

도 6은 단일 스템-루프의 각도(α), 반경(R), 루프 중심(C)의 관계를 설명하는 모식도이다.

도 7은 단일 스템-루프와 복합 스템-루프의 시작-종료 벡터를 설명하는 모식도이다.

도 8은 본 발명에 따른 시각화 방법에 있어서, 2개의 단일 스템-루프를 회전 및/또는 번역하여 복합 스템-루프에 삽입하는 과정을 보인 도면이다.

도 9는 모든 기본 슈도노트 타입을 포함하는 가상의 슈도노트를 나타낸 구조도이다.

도 10은 도 9에 보인 가상 슈도노트의 구조 데이타이다.

도 11은 본 발명에 따라서 계산된 단일 스템-루프를 조작하여 슈도노트에 삽입하는 과정을 보인 도면이다.

도 12는 본 발명에 따라서 단일 스템-루프가 삽입된 슈도노트의 염기 위치를 조정하는 과정을 보인 도면이다.

도 13은 본 발명에 따른 RNA 슈도노트의 시각화 방법이 적용된 컴퓨터의 인터페이스 화면을 나타낸 도면이다.

도 14는 본 발명에 따라 그려진 박테리오파지 T4의 td 그룹 인트론의 구조도이다.

본 발명은 RNA 슈도노트(Pseudonot) 구조를 보다 빠르고 보다 명료하게 평면 그래프 형태로 시각화시킬 수 있는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법에 관한 것이다.

합성 분자 구조를 시각화하는 기술은 생물학에 있어서 관찰자가 그 분자 구조를 이해하기 쉽도록 도와주는 지원 기술 분야이다.

RNA 분자의 슈도노트 구조는 RNA 2차 구조의 루프(loop)에 있는 염기와, 상기 루프의 외부에 있는 염기가 결합하여 생성되는 3차 구조 요소로서, 많은 종류의 RNA 분자들에 있어서 필수적인 구조 요소일 뿐만 아니라, RNA 분자의 기능에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어, RNA 분자의 암호부위에 존재하는 슈도노트는 리보솜 틀이동(ribosomal frameshifting)를 자극할 수 있으며, 연장 도중에 번역할 수 있다. 그리고, 비암호부위의 슈도노트는 IRES(internal ribosomal entry site)로 불려지는 부분이 되거나, 번역 인핸서(translational enhancers)를 형성함에 의하여 번역이 시작되게 한다.

그런데, 그래프 이론 측면에서 보았을 때, 상기 RNA의 2차 구조는 트리(tree)로 취급할 수 있지만, RNA 슈도노트는 내부 사이클과 다른 구조 요소사이의 외부 사이클을 갖는 그래프(어쩌면 비평면 그래프일 수도 있다)이기 때문에, RNA 2차 구조에 비하여 시각화가 어렵다.

현재, RNA의 2차 구조를 시각화하는 방법이나 프로그램은 개발되었으나, 슈도노트에 대한 시각화가 가능한 기법이나 프로그램은 아직 개발된 바 없다.

따라서, 종래에는 RNA 슈도노트를 시각화하기 위하여, RNA 2차 구조를 시각화하는 프로그램을 이용하여 2차 구조를 먼저 시각화 한 후, 슈도노트 부분을 선분 으로 연결하거나, 그래프 편집 기능을 이용하는 등 수작업을 이용하였다. 그러므로, RNA 의 전체 구조가 커질수록 종래의 수작업에 의한 시각화가 어려우며, 획득 결과가 엉성해져 만족스런 결과를 얻기도 힘들었다.

도 1의 (a) 내지 (d)는 종래 방식에 따라 표현된 H 타입 슈도노트의 구조도로서, (a)는 가장 기본적인 H 타입 슈도노트의 구조로서, 점선은 헤어핀 루프에 있는 염기와 3'방향에 있는 염기와의 결합을 나타낸다. 그리고, (b)∼(d)는 상기도 1(a)에 있는 3 개의 루프(loop)중 각각 루프1(loop1), 루프2(loop2), 루프3(loop3)가 생략되면서 스템(stem)1과 스템2가 일렬로 정렬되어 연속한 하나의 스템과 비숫한 구조를 갖는 H 타입 슈도노트의 구조도인데, 이 중에서 도 1(c)에 보인 구조가 가장 흔하게 발생된다.

도시된 바와 같이, 종래의 방법에 의해 표현된 슈도노트 구조도는, 선분의 교차(edge crossing)가 많고, 5'에서 3' 방향으로 RNA 서열을 따라가는 것이 복잡하여, 독해능(readablility)이 떨어진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 H 타입을 포함하는 모든 타입의 RNA 슈도노트 구조를 선분 교차없이 평면적으로 명료하게 시각화하여 구조 파악을 용이하게 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 의한 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법은

염기의 서열구조가 괄호로 표시되는 구조 데이타를 컴퓨터의 입력장치를 통하여 입력받는 입력 단계; 상기 입력된 구조 데이타로부터 괄호쌍으로 둘러싸여져 이루어지는 스템-루프들과 슈도노트들을 식별하는 식별 단계; 상기 식별된 슈도노트에 포함되어 있는 스템-루프의 위치 및 모양을 계산하는 제1계산 단계; 상기 계산된 스템-루프를 포함하는 슈도노트의 위치 및 모양을 계산하는 제2계산 단계; 상기 계산된 슈도노트 외부에 위치한 스템-루프의 위치 및 모양을 계산하는 제3계산 단계; 및 상기 시각화된 스템-루프를 슈도노트에 삽입하거나 연결하여 RNA 슈도노트 구조도를 완성하여 컴퓨터의 출력장치를 통해 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법은 상기 식별 단계가 그 루프에 다른 스템-루프를 포함하고 있지 않은 단일 루프-스템과, 그 루프에 하나 이상의 다른 스템-루프를 포함하는 복합 스템-루프과, 슈도노트를 구분하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법은 상기 제1 계산단계가 스템-루프의 염기 쌍들을 수직축(y축)상에 동일한 y좌표를 갖도록 누적하는 단계; 루프 중심 C, 루프 반경 R, 루프의 염기간 각도 α를 다음과 같이 계산하는 단계:

,

[상기에서, n은 '루프 의 염기수 + 2'이고, L은 스템의 염기 쌍 및 인접 염기 간의 거리이고, 벡터 P_m은 스템의 마지막 염기쌍(p₁,p₂)의 중심점 위치벡터

이며{x₁,x₂,y₁,y₂는 스템의 마지막 염기쌍(p₁,p₂의 좌표)이다}, d는 상기 점 P_m에서 루프 중심 C까지의 거리

이고, 벡터 N은 상기 점 P_m에서 루프 중심 C로 향하는 단위벡터이다]; 및, 상기 계산된 루프 중심 C로부터 반경 R의 원내에 2α각도로 배치하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법은 상기 제1계산단계에서 계산된 스템-루프가 다른 복합 스템-루프에 포함하는 경우, 복합 스템-루프에 연결되기 전의 단일 스템-루프의 첫번째 염기와 마지막 염기의 위치 sStart, sEnd와, 복합 스템-루프에 연결된 후의 단일 스템-루프의 첫 번째 염기 및 마지막 염기의 위치 pStart, pEnd로부터 각각 벡터 s, p를 다음과 같이 구하는 단계;

, 상기 구해진 벡터 s와 벡터 p로부터 각도 b를

에 의하여 구하는 단계; 다른 복합 스템-루프에 포함될 스템-루프를 상기 계산된 각도 b로 회전시키는 단계; 상기 회전된 스템-루프를 평행이동하여 해당 복합 스템-루프에 삽입시키는 단계를 더 포함하여, 복합 스템-루프에 삽입시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법은 상기 제2계 산 단계가 식별단계에서 식별된 슈도노트를 스템부와 스템부 사이에 위치하는 내부구조요소들로 구분하는 단계; 상기 구분된 부분중 스템부는 염기쌍이 동일한 y좌표를 갖도록 수직으로 배치하는 단계; 상기 내부 구조요소의 위치 및 모양을 계산하여 시각화하는 단계; 상기 시각화된 내부 구조요소를 지정된 상기 스템부의 내부 또는 스템부들 사이에 삽입하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법은 상기 슈도노트의 구분 단계는 슈도노트를 5'-end에 첫번째 염기가 연결되는 제1스템과, 상기 제1스템의 마지막 염기에 자신의 첫번째 염기가 연결되는 제2스템과, 상기 제2스템의 마지막 염기 쌍에 자신의 첫번째 염기가 연결되고 자신의 마지막 염기는 3'-end에 연결되는 제3스템과, 상기 제1,2,3 스템 사이에 위치하는 쌍을 갖지 않는 염기들 또는 스템루프로 이루어진 제1~제5 내부구조요소중 일부 또는 전부로 구분하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법에 있어서, 상기 제1내부구조요소는 슈도노트의 제1스템의 시작부와 제2스템의 시작부 사이의 구조요소, 제2내부구조요소는 슈도노트의 제2스템의 시작부와 제1스템의 종료부 사이의 구조요소, 제3내부구조요소는 슈도노트의 제2스템의 종료부와 제3스템의 시작부 사이의 구조요소, 제4내부구조요소는 슈도노트의 제1스템의 종료부와 제3스템의 시작부 사이의 구조요소, 제5내부구조요소는 슈도노트의 제2스템의 종료부와 제3스템의 종료부 사이의 구조요소로 정의된다.

또한, 본 발명은 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법에 있어서, 상 기 삽입 단계는 제1스템의 시작부, 제1내부구조요소, 제3스템의 시작부 부분에 위치되는 스템-루프는 반시계방향으로 90°회전시킨 후 삽입시키고, 제2스템의 시작부, 제2내부구조요소 부분의 스템-루프는 수평적으로 뒤집고나서, 반시계방향으로 90°회전시킨 후 슈도노트에 삽입시키고, 제1스템의 종료부, 제5내부구조요소, 제3스템의 종료부 부분의 스템-루프들은 시계방향으로 90°회전시킨 후, 슈도노트에 삽입시키고, 제3내부구조요소, 제4내부구조요소, 제2스템의 종료부 부분의 스템-루프들은 수평적으로 뒤집고, 시계방향으로 90°회전시킨 후 슈도노트에 삽입시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 삽입 단계 후, 상기 삽입이 이루어진 스템부의 시작부 또는 종료부의 한 쌍으로된 두 염기들이 같은 y 좌표를 갖도록 염기 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공한다.

이상에서 설명된 본 발명은 모든 타입의 슈도노트를 일률적으로 선분 교차없이 묘사할 수 있는 방법으로서, 결론적으로 본 발명에 따르면 여러 타입의 슈도노트 구조는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 묘사된다.

특히, 상기 도 2의 (a)∼(d)는 도 1의 (a)∼(d)에 보인 각 슈도노트를 본 발명에 따라서 시각화하여 묘사된 구조도로서, 도 2(b)는 도 1(b)의 스템2을 수평축(x 축)에 대해서 뒤집은 후 평행이동하여 얻어진 것이고, 도 2(c)는 도 1(c)의 스템2를 수직축(y축)에 대해서 뒤집음으로써 얻어지고, 도 2(d)는 도 1(d)의 스템1을 수평축(x축)에 대해서 뒤집고 수평적으로 스템2를 평행이동함으로써 얻어진 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의하여 나타난 H 타입 슈도노트의 구조도는 선분 교차를 포함하지 않으며, 두 개의 내부 사이클을 갖는 유사한 형태를 갖는다. 또한, 상기 도 2의 구조를 살펴보면, 5'에서 3'방향으로 RNA 서열을 따르기가 쉽다는 것을 알 수 있다. 상기 새로운 구조도에 있어서, 슈도노트의 2개의 스템은 동축상에 누적되지는 않았지만, 서로 인접하게 병렬로 묘사된다.

도 3은 H 타입을 제외한 다른 타입의 슈도노트를 본 발명에 따라 묘사한 구조도로서, 타입에 관계없이 서로 유사한 형태를 갖으며 5'에서 3'방향으로 RNA 서열을 따르기가 쉽다는 것을 알 수 있고, 또한, 슈도노트를 구성하는 스템들이 서로 인접하게 병렬로 묘사된다. 도 3에서 (a)는 LL 타입 슈도노트이고, (b)는 HL_OUT 타입 슈도노트를,(c)는 HL_IN 타입의 슈도노트를 묘사한 것이고, (d)는 HH 타입의 슈도노트를 묘사한 것이고, (e)는 HHH 타입의 슈도노트이다. 상기에서, 타입을 표시하는 기호 H는 헤어핀 루프를 나타내고, L은 벌지 루프(bulge loop), 인터널 루프(internal loop), 멀티플 루프(multiple loop) 중의 하나를 나타낸다.

본 발명에 의한 슈도노트 구조의 시각화 방법은 기본 슈도노트 타입 구조의 조합으로 모든 슈도노트를 시각화할 수 있도록 하기 위하여, 6가지의 기본 슈도노트 타입을 결정하며, 상기 결정된 기본 슈도노트 타입은 도 1에 보인 H 타입과 도 3의 (a) 내지 (e)에 보인 LL 타입, HL_OUT 타입, HL_IN 타입, HH 타입, HHH 타입등이다.

다음의 표 1은 236개의 슈도노트를 분류한 것으로서, 이로부터 대부분의 슈도노트가 상기 결정된 기본 슈도노트 타입의 조합에 의해 평면그래프로 묘사될 수 있다는 것을 알 수 있다.

상기 표 1에서, * 표시된 슈도노트는 하나 이상의 기본 타입을 포함하는 것이다.

이하, 도 4 내지 도 12의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 RNA 슈도노트 구조의 시각화방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 시각화 방법을 설명하기에 앞서, 몇가지 용어에 대하여 정의한다. 구조데이타에 있어서, 괄호 쌍(예를 들어, '()','[]')은 염기 쌍을 표시하고, ':'는 단일가닥으로 이루어진 구조 요소(루프)의 염기를 표시한다. 이러한 구조데이타에 있어서, 괄호 쌍 및 그 내부의 구조요소를 묶어 스템-루프라고 부른다. 그리고, 단일 헤어핀 루프-스템은 단일 루프-스템이라 하고, 하나 이상의 다른 스템-루프를 포함하는 스템-루프를 복합 스템-루프라 한다. 상기 복합 스템-루프는 internal loop, bulge loop, multiple loop, 또는 슈도노트를 포함하는 루프등에 대응된다.

본 발명에 의한 시각화는 구조데이타로부터 상기 정의된 스템-루프와 슈도노트를 각각 식별한 후, 복합 스템-루프에 둘러싸이기 전에 단일 스템-루프를 먼저계산하도록 한 것이다.

도 4는 이러한 본 발명에 의한 RNA 슈도노트 구조의 시각화 절차를 개략적으로 나타낸 플로우챠트로서, 상기 플로우챠트의 순서를 따라서 시각화 과정을 상세하게 설명하기로 한다.

스템-루프 및 슈도노트 구조요소의 식별

본 발명은 구조 데이타가 컴퓨터의 입력장치를 통해 입력되면(401), 컴퓨터의 연산장치를 통해 입력된 구조 데이타로부터 스템-루프들(단일 스템-루프와 복합 스템-루프)과 슈도노트를 식별한다(402).

도 5에 도시된 구조데이타의 일예를 참조하면, 상기 구조데이타는 4개의 스템-루프(SL1~SL4)를 포함하고 있으며, 이중 SL1과 SL2는 다른 스템-루프를 포함하지 않는 것으로서 단일 스템-루프이고, SL3는 상기 SL1과 SL2를 둘러싸는 복합 스 템-루프이고, SL4는 상기 SL3를 포함하는 복합 스템-루프이다.

슈도노트에 포함되는 스템-루프의 계산

상기 단계402에서 식별된 구성요소중, 먼저, 슈도노트에 포함된 스템-루프를 컴퓨터의 연산장치를 통해 계산한다(403).

앞서 정의한 바와 같이, 스템-루프는 단일 스템-루프와 복합 스템-루프 두 종류로 구분할 수 있는데, 이중 우선 단일 스템-루프를 계산하고, 그 다음 해당 단일 스템-루프를 둘러싸는 복합 스템-루프를 계산한다.

1) 단일 스템-루프

단일 스템-루프내에 존재하는 스템의 염기 쌍들은 수직축(y축)상에 누적한다. 이때, 누적된 스템의 염기 쌍들 및 인접한 염기들은 도 6에 도시된 바와 같이 거리 L을 갖는다. 그리고, 루프는 도 6에 도시된 바와 같이 루프 중심 C로부터 반경 R의 원내에 2α각도로 배치된다.

여기에서, 자연수 n이 "루프 부위의 염기 수 + 2"를 나타낸다면, 상기 루프를 표현하기 위한 각도 α와 반경 Ｒ은 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 상기 스템의 염기쌍 간의 거리 L과, 상기 n으로부터 계산될 수 있다.

그리고, 루프의 중심(C)을 구하기 위해서 먼저, 루프와 연결되는 스템의 염기쌍 P₁, P₂의 좌표로부터 그 중심점 P_m을 다음의 수학식 3과 같이 구한다.

만일, 상기 도 6에서, N이 포인트 P_m으로부터 루프 중심 C를 지시하는 단위벡터라 한다면, 상기 벡터 N은 포인트 P_m에 대하여 반시계방향으로 벡터 P₂-P₁을 90°회전시킨 후, 그 벡터를 표준화하는 것에 의해서 얻어지며, 루프 중심 C와 P_m 사이의 거리 d는 다음의 수학식 4와 같이 정의된다.

그리고, 상기 거리 d, 벡터 N, 위치 벡터 P_m으로부터 루프 중심 C을 표시하는 위치 벡터 C를 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.

이상과 같이 구조데이타로부터 계산된 루프의 반경 R, 각도 α, 루프 중심 C를 이용하여, 상기 누적된 스템의 상부에 단일 삼각법에 의하여 단일 가닥으로 이루어진 루프의 염기를 위치시킨다.

상기 구조데이타로부터 식별된 단일 스템-루프 들은 이상의 방법에 의하여 그 모양 및 위치가 계산될 수 있다.

2) 복합 스템-루프

도 7은 복합 스템-루프의 계산과정을 설명하기 위한 것으로서, 도 7에 있어서, 복합 스템-루프 pSL이 단일 스템-루프 sSL을 포함한다고 가정하자. 이때, sStart는 복합 스템-루프 pSL에 연결되기 전의 단일 스템-루프 sSL의 첫번째 염기의 위치를 표시나타내고, sEnd는 복합 스템-루프 pSL에 연결되기 전의 단일 스템-루프 sSL의 마지막 염기의 위치를 나타낸다. 또한, pStart는 상기 단일 스템-루프 sSL의 첫 번째 염기가 복합 스템-루프 pSL에 놓일 위치를 표시하고, pEnd는 상기 단일 스템-루프 sSL의 마지막 염기가 복합 스템-루프 pSL내 에 위치될 때의 그 위치를 표시한다. 그리고, 앞서에서와 같이 계산된 단일 스템-루프sSL의 sEnd - sStart 방향을 가르키는 단위벡터를 벡터 s라고 하고, pEnd - pStart 방향의 단위벡터를 벡터 p라 하면, 복합 스템-루프 pSL에 연결되기 전의 단일 스템-루프 sSL와 복합 스템-루프 pSL에 연결된 후 각도차 b가 다음의 수학식 6과 같이 계산된다.

따라서, 상기와 같이 계산된 각도 b로 앞서의 단계에서 계산된 복합 스템-루프에 연결될 단일 스템-루프를 회전시킨 후, 상기 벡터 pStart와 sStart의 차이만큼 평행이동함으로써, 단일 스템-루프를 복합 스템-루프에 삽입시킨다. 이때, 복합 스템-루프내의 다른 스템의 염기쌍들 및 루프의 염기들은 앞서 단일 스템-루프와 같은 방법으로 배치된다.

도 8은 스템-루프3에 스템-루프 1과 스템-루프 3를 회전 및 평행이동하여 삽입하는 과정을 순차적으로 보인 것이다.

이상의 스템-루프의 위치 및 모양을 계산하여 시각화하는 방법은 다음과 같은 알고리즘으로 나타내어 질 수 있다.

for each stem-loop do {start with the innermost stem-loop}

1. Compute the position of the stem in the stem-loop.

2. Compute the radius and center of the loop in the stem-loop.

3. Compute the position of each base of the loop.

4. If the stem-loop has an enclosed stem-loop or pseudoknot

5. Insert it by rotating it and moving it

end for

슈도노트의 위치 및 모양 계산

본 발명에서는 슈도노트의 시각화 절차를 간략화하기 위하여, 우선적으로 슈도노트를 여러 부분으로 나눈다.

도 9는 모든 타입 슈도노트들의 구조요소를 모두 포함하고 있는 가상의 슈도노트를 나타낸 것이고, 도 10은 상기 도 9에 보인 슈도노트의 구조데이타를 나타낸 다.

즉, 상기 도 9 및 도 10의 구조요소들은 앞서 설명한 6가지 기본 타입 슈도노트들의 모든 구조 요소들을 포함한다.

도 9를 참조하면, RNA 슈도노트는 5'-end에 첫번째 염기가 연결되는 제1스템(S1)과, 상기 제1스템(S1)의 마지막 염기에 자신의 첫번째 염기가 연결되는 제2스템(S2)과, 상기 제2스템(S2)의 마지막 염기 쌍에 자신의 첫번째 염기가 연결되고 자신의 마지막 염기는 3'-end에 연결되는 제3스템(S3)과, 상기 제1,2,3 스템(S1~S3) 사이에 위치하는 쌍을 갖지 않는 염기들 또는 스템루프로 이루어진 제1~제5 내부구조요소(B1~B5)중 일부 또는 전부를 구비한다.

상기에서, 제1내부구조요소(B1)는 슈도노트의 제1스템(S1)의 시작부(S1O)와 제2스템의 시작부(S2O) 사이의 구조요소, 제2내부구조요소(B2)는 슈도노트의 제2스템의 시작부(S2O)와 제1스템의 종료부(S1C) 사이의 구조요소, 제3내부구조요소(B3)는 슈도노트의 제2스템의 종료부(S2C)와 제3스템의 시작부(S3O) 사이의 구조요소, 제4내부구조요소(B4)는 슈도노트의 제1스템의 종료부(S1C)와 제3스템의 시작부(S3O) 사이의 구조요소, 제5내부구조요소(B5)는 슈도노트의 제2스템의 종료부(S2C)와 제3스템(S3C)의 종료부 사이의 구조요소로 정의된다.

그리고, 슈도노트의 타입에 따라서, 상기 구조요소 B1,B2,B3,B4 또는 B5중 하나 이상의 부분을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 제3내부구조요소(B3), 제3스템(S3), 제5내부구조요소(B5)는 HHH 타입을 제외한 다른 슈도노트에서는 필요없다.

상기 슈도노트의 구조요소들중, 스템들의 염기 쌍은 수직축(y축)을 따라 위치되고, 각 염기 쌍은 스템의 위치 좌표 시스템에서 같은 y 좌표를 갖는다.

그 다음, 이렇게 분류된 슈도노트의 각 부분의 위치 및 모양을 컴퓨터의 연산장치를 통해 계산한 후, 각각을 그 조건에 따라 아래와 같이 조작하여 슈도노트에 삽입함으로서, 슈도노트를 시각화한다.

1. 제1스템의 시작부(S1O), 제1내부구조요소(B1), 제3스템의 시작부(S30) 부분에 위치되는 스템-루프는 반시계방향으로 90°회전시킨 후 삽입시킨다.

2. 제2스템의 시작부(S2O), 제2내부구조요소(B2) 부분의 스템-루프는 수평적으로 뒤집고나서, 반시계방향으로 90°회전시킨 후 슈도노트에 삽입시킨다. 도 11은 이경우의 처리과정예를 보인 것이다.

3. 제1스템의 종료부(S1C), 제5내부구조요소(B5), 제3스템의 종료부(S3C) 부분의 스템-루프들은 시계방향으로 90°회전시킨 후, 슈도노트에 삽입시킨다.

4. 제3내부구조요소(B3), 제4내부구조요소(B4), 제2스템의 종료부(S2C) 부분의 스템-루프들은 수평적으로 뒤집고, 시계방향으로 90°회전시킨 후 슈도노트에 삽입한다.

그리고, 스템-루프가 제1스템의 시작부(S10), 제1스템의 종료부(S1C), 제2스템의 시작부(S2O), 제2스템의 종료부(S2C), 제3스템의 시작부(S3O), 제3스템의 종료부(S3C)와 같은 스템부로 삽입될 때, 상기 스템부의 시작부 또는 종료부의 한 쌍으로된 2 염기들의 위치가 같은 y 좌표를 갖도록 조정한다.

도 12를 참조하여 예를 들면, 제2스템의 종료부(S2C)에 임의의 스템-루프를 삽입한 후, 상기 제2스템의 쌍을 이루는 2개의 염기들이 각각 동일한 y좌표를 갖도록 제2스템의 시작부(S2O)의 염기의 y좌표를 조정함으로서, 명료하게 시각화되도록 한다.

아래의 알고리즘은 이상 설명한 슈도노트의 시각화 방법에 따라서 상기 도 9에 보인 가상 슈도노트를 시각화하는 알고리즘의 실시예를 보인 것이다.

Put S1O upright.

Put B1 above S1O with the following adjustments.

If B2 or S2O contains a stem-loop

Shift B1 left by the size of the stem-loop

Else

Shift B1 left by L (the basis distance between a pair of bases)

Put S1C to the right of S1O.

Put B2 above S1C, and S2O above B2.

Put S2C to the right of S2O.

Put B3 below S2C.

If the pseudoknot is not of HHH type

Shift B3 right by L.

Else

If S1C or S3O contains a stem-loop

Shift B3 right by the size of the stem-loop.

Put S3O below B3.

Put B4 below S3O.

Put S3C to the right of S3O.

Put B5 above S3C with the following adjustments.

If S2C or B3 contaions a stem-loop

Shift B5 right by the size of the stem-loop.

Else

Shift B5 right by L.

이상과 같은 슈도노트의 위치와 모양의 계산이 완료되면, 상기 슈도노트 외부의 스템-루프의 위치 및 모양을 앞서 설명한 바와 같이 계산하고, 이상과 같이 계산된 스템-루프와 슈도노트를 해당 RNA의 2차구조에 삽입함으로서, RNA 슈도노트 구조의 시각화가 이루어진다(405).

이상 설명한 RNA 슈도노트의 시각화 방법은 마이크로 비쥬얼 C#와 같은 프로그래밍 언어로 프로그래밍될 수 있으며, PC 내 내장되어 있는 마이크로프로세서를 통해 연산되고, 윈도우 2000/XP/Me/98/NT 4.0을 오퍼레이팅 시스템으로 갖는 임의 PC의 모니터 등의 출력장치를 통해 시각화될 수 있다. 한편, 상기 시각화 방법은 웹브라우저상에서도 수행될 수 있다.

또한, 이상의 RNA 슈도노트 시각화 방법은 괄호표시의 구조데이타를 갖는 RNA 서열을 입력받는데, 상기 괄호 표시는 슈도노트를 나타내는데 폭넓게 사용된 다. 괄호 표시는 아래의 두 알고리즘에 나타나는 두 가지 스타일중 하나로 슈도노트 및 2차 구조를 표시할 수 있다.

Bracket view Ⅰ

# <RNA name> //optional;if this line may be omitted

<base sequence>

<matching parentheses and brackets>

<starting base number> //optional;if this is omitted,the

starting number is 1 by default.

# TYMV

UUAGCUCGCCAGUUAGCGAGGUCUGUCCCCACACGACAGAUAAUCGGGUG

CAACUCCCGCCCCUUUUCCGAGGGUCAUCGGAACCA

::::(((((::::::))))):((((((:::::::))))))::::((((::

:::::))))(((:::[[[[[[))):::]]]]]]:::

1

Baket view Ⅱ

# <RNA name> //optional;if this line may be omitted

<base sequence> alternates with

<matching parentheses and brackets>

<starting base number> //optional;if this is omitted,the

starting number is 1 by default.

# TYMV

UUAGCUCGCCAGUUAGCGAGGUCUGUCCCCACACGACAGAUAAUCGGGUG

::::(((((::::::))))):((((((:::::::))))))::::((((::

CAACUCCCGCCCCUUUUCCGAGGGUCAUCGGAACCA

:::::))))(((:::[[[[[[))):::]]]]]]:::

1

본 발명의 슈도노트 시각화방법은 출력으로서, 구조도를 제공할 수 있다. 표준적인 관점에서, RNA 슈도노트와 2차구조는 도 13에 도시된 바와 같이, 염기들과 쌍으로 된 염기들 사이의 기호를 구체화한 형태로 표시된다. 상기 구조도에서 루프들이 다각형과 선분요소에 의한 나선형태로 재배치되는 백본의 형태로 구조를 보인다. 그리고, 이때, 입력된 서열과 해당 서열의 구조요소를 나타내는 괄호표시로 이루어진 구조데이타 창이 별도로 표시되어, 표시된 구조도의 서열을 알려줄 수 있다.

도 14는 실제로 본 발명에 따라 시각화된 박테리오파지(bacteriophage) T4의 td 그룹 I 인트론(intron)의 구조도를 나타낸 것으로서. 이는 HL_OUT 타입 슈도노트 두 개와 LL 타입 슈도노트 하나가 복합적으로 나타나는 매우 복잡한 구조이지만, 본 발명에 의해서, 선분교차가 없는 평면그래프로서 묘사되었다. 또한, 각 슈도노트를 시작하는 염기는 그 염기의 수와 함께 배경 색을 달리 표시함으로서, 다른 구조 요소들로부터 더 쉽게 구별될 수 있도록 하였 다. 따라서, 종래의 수작업에 의한 슈도노트의 구조도에 비하여, 훨씬 더 미적으로 표시되며, 그 구조가 명료하게 나타남으로서 이해가 쉬어진다.

또한, 실제 구동 시간의 비교를 위하여, H 타입 슈도노트를 갖는 RNA들- 예를 들어, tobacco mosaic, satellite tobacco mecrosis virus 1, E,coli tmRNA, satellite tobacco virus, odontoglossum ringpot virus, Cyanophora paradoxa cyanelle tmRNA -을 펜티엄 Ⅳ 1.5GHz 프로세서상에서 본 발명에 따라 시각화시키면서, 시각화에 걸린 시간을 측정하였는데, 각각 슈도노트의 수와 염기의 수에 비례하여 시간이 소요되었으며, 각각 14ms, 30ms, 30ms, 92ms, 108ms, 145ms 가 나왔다. 즉, 여러 RNA 분자 구조를 시각화하는데 걸리는 시간을 관찰자 입장에서 거의 인식할 수 없을 정도임을 알 수 있으며, 종래의 수작업에 비하여 훨씬 빠르게 이루어짐을 알 수 있다.

다음의 표 2는 상술한 테스트 결과를 비교한 표이다.

본 발명은 내부 사이클과 슈도노트와 다른 구조 요소사이에 형성된 외부 사이클을 포함하는 RNA 슈도노트 구조를 수작업 없이 자동으로 신속하게 시각화할 수 있으며, 더하여, 선분교차 없이 2차 평면그래프로 RNA 슈도노트 구조를 시각화함으로서, 관찰자가 해당 구조를 쉽게 이해할 수 있게 하며, 웹 베이스 프로그램의 알고리즘으로 구현가능함으로서, 이용이 쉽다는 우수한 효과가 있다.

더하여, 본 발명은 타입에 관계없이 모든 종류의 슈도노트 구조를 선분교차없이 2차 평면그래프로서 자동 시각화할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims

염기의 서열구조가 괄호로 표시되는 구조 데이타를 컴퓨터의 입력장치를 통하여 입력받는 입력 단계;

상기 입력된 구조 데이타로부터 괄호쌍으로 둘러싸여져 이루어지는 스템-루프들과 슈도노트들을 식별하는 식별 단계;

상기 식별된 슈도노트에 포함되어 있는 스템-루프의 위치 및 모양을 계산하는 제1계산 단계;

상기 계산된 스템-루프를 포함하는 슈도노트의 위치 및 모양을 계산하는 제2계산 단계;

상기 계산된 슈도노트 외부에 위치한 스템-루프의 위치 및 모양을 계산하는 제3계산 단계; 및

상기 시각화된 스템-루프를 슈도노트에 삽입하거나 연결하여 RNA 슈도노트 구조도를 완성하여 컴퓨터의 출력장치를 통해 출력하는 단계

로 이루어지는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 1항에 있어서, 상기 식별 단계는

루프에 다른 스템-루프를 포함하고 있지 않은 단일 루프-스템과,

루프에 하나 이상의 다른 스템-루프를 포함하는 복합 스템-루프와,

슈도노트를 구분하는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 2항에 있어서, 상기 제1계산 단계는

스템-루프의 염기 쌍들을 수직축(y축)상에 동일한 y좌표를 갖도록 누적하는 단계;

루프 중심 C, 루프 반경 R, 루프의 염기간 각도 α를 다음과 같이 계산하는 단계:

[상기에서, n은 '루프의 염기수 + 2'이고, L은 스템의 염기 쌍 및 인접 염기 간의 거리이고, 벡터 P_m은 스템의 마지막 염기쌍(p₁,p₂)의 중심점 위치벡터
이며{x₁,x₂,y₁,y₂는 스템의 마지막 염기쌍(p₁,p₂의 좌표}, d는 상기 점 P_m에서 루프 중심 C까지의 거리
이고, 벡터 N은 상기 점 P_m에서 루프 중심 C로 향하는 단위벡터이다]; 및,

상기 계산된 루프 중심 C로부터 반경 R의 원내에 2α각도로 배치하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 3항에 있어서, 상기 제1계산 단계에서 계산된 스템-루프가 다른 복합 스템-루프에 포함하는 경우에는,

복합 스템-루프에 연결되기 전의 단일 스템-루프의 첫번째 염기와 마지막 염기의 위치 sStart, sEnd와, 복합 스템-루프에 연결된 후의 단일 스템-루프의 첫 번째 염기 및 마지막 염기의 위치 pStart, pEnd로부터 각각 벡터 s, p를 다음과 같이 구하는 단계;

상기 구해진 벡터 s와 벡터 p로부터 각도 b를
에 의하여 구하는 단계;

다른 복합 스템-루프에 포함될 스템-루프를 상기 계산된 각도 b로 회전시키는 단계;

상기 회전된 스템-루프를 평행이동하여 해당 복합 스템-루프에 삽입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제2계산 단계는

상기 식별단계에서 식별된 슈도노트를 스템부와 스템부 사이에 위치하는 내부구조요소들로 구분하는 단계;

상기 구분된 부분중 스템부는 염기쌍이 동일한 y좌표를 갖도록 수직으로 배치하는 단계;

상기 내부 구조요소의 위치 및 모양을 계산하여 시각화하는 단계;

상기 시각화된 내부 구조요소를 지정된 상기 스템부의 내부 또는 스템부들 사이에 삽입하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 5항에 있어서, 상기 슈도노트의 구분 단계는 슈도노트를

5'-end에 첫번째 염기가 연결되는 제1스템과,

상기 제1스템의 마지막 염기에 자신의 첫번째 염기가 연결되는 제2스템과,

상기 제2스템의 마지막 염기 쌍에 자신의 첫번째 염기가 연결되고 자신의 마지막 염기는 3'-end에 연결되는 제3스템과,

상기 제1,2,3 스템 사이에 위치하는 쌍을 갖지 않는 염기들 또는 스템루프로 이루어진 제1~제5 내부구조요소중 일부 또는 전부로 구분하는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 6항에 있어서,

상기 제1내부구조요소는 슈도노트의 제1스템의 시작부와 제2스템의 시작부 사이의 구조요소,

제2내부구조요소는 슈도노트의 제2스템의 시작부와 제1스템의 종료부 사이의 구조요소,

제3내부구조요소는 슈도노트의 제2스템의 종료부와 제3스템의 시작부 사이의 구조요소,

제4내부구조요소는 슈도노트의 제1스템의 종료부와 제3스템의 시작부 사이의 구조요소,

제5내부구조요소는 슈도노트의 제2스템의 종료부와 제3스템의 종료부 사이의 구조요소로 정의되는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 5항에 있어서, 상기 삽입 단계는

제1스템의 시작부, 제1내부구조요소, 제3스템의 시작부 부분에 위치되는 스템-루프는 반시계방향으로 90°회전시킨 후 삽입시키고,

제2스템의 시작부, 제2내부구조요소 부분의 스템-루프는 수평적으로 뒤집고나서, 반시계방향으로 90°회전시킨 후 슈도노트에 삽입시키고,

제1스템의 종료부, 제5내부구조요소, 제3스템의 종료부 부분의 스템-루프들은 시계방향으로 90°회전시킨 후, 슈도노트에 삽입시키고,

제3내부구조요소, 제4내부구조요소, 제2스템의 종료부 부분의 스템-루프들은 수평적으로 뒤집고, 시계방향으로 90°회전시킨 후 슈도노트에 삽입시키는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 5항에 있어서,

상기 삽입 단계 후, 상기 삽입이 이루어진 스템부의 시작부 또는 종료부의 한 쌍으로된 두 염기들이 같은 y 좌표를 갖도록 염기 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법.
제 1항 내지 제 9항의 어느 한 항에 기재된 RNA 슈도노트 구조의 시각화 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.