計(jì)算機(jī)在流感病毒(Influenza RNA)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的應(yīng)用

呂健雄 劉永帆

摘要:甲型H1N1流感病毒(influenzavirusA)基因組含有8個(gè)RNA基因片段,本文主要介紹了RNA的結(jié)構(gòu),以及目前計(jì)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(cè)工具。

關(guān)鍵字:H1N1;RNA分子;RNA二級(jí)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(diǎn),繼SARS之后, 甲型流感的來(lái)襲使得人們對(duì)H1N1產(chǎn)生了新的巨大的恐懼,新的流感病毒或過(guò)去不為人類所感染的流感病毒通過(guò)自身的變異正悄然侵襲人類。甲型流感究竟是由何而來(lái)?它與普通的感冒又有什么不同呢?這里我們先來(lái)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(gè)RNA基因片段[1],最大的3個(gè)RNA片段PB2(polymeraseB2)、PB1(polymeraseB1)和PA(polymeraseA)編碼聚合酶;第4個(gè)編碼血凝素(he-magglutinin,HA)蛋白(表面糖蛋白,主要抗原);第5個(gè)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(gè)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(gè)編碼基質(zhì)蛋白M1(matrixprotein1)和M2(matrixprotein2);第8個(gè)片段編碼非結(jié)構(gòu)蛋白NS1,通過(guò)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(duì)于這些亞型的不同命名,來(lái)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?yàn)榛蛐蛄械淖兓?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(chǔ)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(shí),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(shuō)[4],即認(rèn)為生命起源于RNA。隨著生物學(xué)家們?cè)?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(duì) RNA 的多樣性和復(fù)雜性有了新的深刻認(rèn)識(shí)。從而更加激發(fā)了人們認(rèn)識(shí)RNA的興趣。相對(duì)于RNA一維線性結(jié)構(gòu)上的多樣性而言,其二級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的多樣性具有更多的生物學(xué)意義。RNA 二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)分析,對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法存在參數(shù)敏感、計(jì)算復(fù)雜度高、預(yù)測(cè)精度較低等問(wèn)題,傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)手段已不能滿足需求。

3 計(jì)算機(jī)基本特點(diǎn)

3.1 強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力

計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的具有存儲(chǔ)容量大、處理量大、操作簡(jiǎn)便、查詢方便、輸出檢索快速、分析結(jié)果準(zhǔn)確,同時(shí)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(guò)對(duì)比,利用計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行檢索所需時(shí)間,只有手工方法檢索的幾千分之一。

3.2 強(qiáng)大計(jì)算功能

計(jì)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(jì)分析,根據(jù)得到的所要數(shù)據(jù),做出合理的決策。計(jì)算機(jī)具有越來(lái)越強(qiáng)大計(jì)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(jì)算誤差,提高計(jì)算的準(zhǔn)確性及工作效率。

3.3 究錯(cuò)能力強(qiáng),安全性能好

計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)錄入時(shí)能夠采用全屏幕編輯方式,并能對(duì)輸入接收范圍做出規(guī)定,若是非法輸入將會(huì)提出警告信息,及時(shí)究錯(cuò),從而保證了輸入的正確性。在數(shù)據(jù)使用時(shí)可對(duì)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(jì)算機(jī)管理采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)系統(tǒng),層次清晰。程序編制時(shí),使各模塊間聯(lián)系僅有一個(gè)入口和一個(gè)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(dú)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)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(jì)算機(jī)具有強(qiáng)的邏輯判斷能力。

3.6 縮短時(shí)間和空間距離

計(jì)算機(jī)科學(xué)日漸成熟,現(xiàn)代信息技術(shù)幾乎對(duì)任何信息都能進(jìn)行數(shù)字化處理。同時(shí)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接,實(shí)現(xiàn)資料數(shù)據(jù)共享,從而打破傳統(tǒng)的時(shí)空觀,有效縮短時(shí)間和空間距離。

4 RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)

結(jié)構(gòu)和功能是息息相關(guān)的,在物理方法測(cè)定結(jié)構(gòu)沒有得到質(zhì)的飛躍之前,結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)問(wèn)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(wèn)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(guò)堿基配對(duì)原則形成一定的二級(jí)結(jié)構(gòu)乃至三級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)行使生物學(xué)功能。相對(duì)于 RNA 一級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)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(kù)(如RNA virus database等),其中包含了海量的RNA 一級(jí)序列數(shù)據(jù),如果通過(guò)單純的物理實(shí)驗(yàn)方法去測(cè)定很不容易。雖然測(cè)得的結(jié)果非常精確可靠,可是面對(duì)當(dāng)前海量的生物序列,這樣做實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用大,需要的時(shí)間較長(zhǎng)。相比之下,基于計(jì)算方法預(yù)測(cè)RNA 的二級(jí)結(jié)構(gòu),則能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。計(jì)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(cè)工具,直接預(yù)測(cè)出相應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu),大大提高我們認(rèn)識(shí) RNA 空間結(jié)構(gòu)的效率。RNA 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)問(wèn)題,根據(jù)不同的情況衍生了不同的預(yù)測(cè)思路。

5 計(jì)算機(jī)在RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前有多種用于RNA 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的軟件和在線預(yù)測(cè)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(cè)。Mfold是根據(jù)最小自由能模型的Zuker 動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行預(yù)測(cè)的,所預(yù)測(cè)的序列為單一序列,Mfold工具的優(yōu)越性有以下幾個(gè)方面:可以人為設(shè)定先驗(yàn)知識(shí); 支持環(huán)形RNA 的預(yù)測(cè);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(duì)稱值; 可以設(shè)置堿基對(duì)之間的最大距離; 每次提供多個(gè)可選擇結(jié)構(gòu); 提供圖形化界面輸出,只能預(yù)測(cè)單個(gè)序列。

6總結(jié)

綜上,借助于計(jì)算機(jī)手段和各種數(shù)學(xué)方法從理論上去預(yù)測(cè) 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(shí) RNA 空間結(jié)構(gòu)的效率和預(yù)測(cè)精度,得到具有生物學(xué)意義的預(yù)測(cè)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(bào) 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.