Детальная информация

Выпускная квалификационная работа посвящена анализу метода проектирования кольцевых мРНК на основе минимизации свободной энергии ансамбля вторичных структур с учётом функциональных элементов кольцевой молекулы и ограничения на нежелательное межрегиональное спаривание оснований. В первой главе рассмотрены существующие алгоритмы вычислительного проектирования мРНК - LinearDesign и CircDesign. Приведены постановки задач оптимизации минимальной свободной энергии и индекса адаптации кодонов, описано представление пространства синонимичных последовательностей конечным автоматом и метод синтаксического анализа решётки. Показано, какие дополнительные ограничения возникают при переходе от линейных мРНК к кольцевым. Во второй главе разобран алгоритм EnsembleDesign, минимизирующий свободную энергию ансамбля. Изложена формальная постановка задачи, непрерывная релаксация дискретной задачи через распределение над пространством последовательностей, понятие ожидаемой статистической суммы и схема вероятностного синтаксического анализа решётки с оптимизацией методом проекции градиента. В третьей главе сформулирована постановка задачи проектирования кольцевой мРНК. Описаны функциональные модули конструкции (IRES, Kozak, кодирующая область, спейсер, область замыкания), введено формальное понятие кросс-пары между IRES и кодирующей областью, обоснована необходимость учёта замкнутости молекулы. В четвёртой главе предложены и реализованы три способа запрета кросс-парирования между IRES и кодирующей областью: вероятностная пост-фильтрация кандидатов, жёсткий запрет на уровне рекуррентов динамического программирования и мягкий запрет через штрафной параметр λ, выбранный в качестве основного. В пятой главе описан учёт замкнутости молекулы. Рассмотрены алгоритм RNAfold и различие линейной и кольцевой моделей свёртки, изложена реализация процедуры постобработки с пересчётом вторичной структуры в кольцевом режиме. В шестой главе приведены результаты вычислительных экспериментов на искусственном и реальном наборах данных. Исследовано влияние управляющих параметров, выполнено сравнение разработанного алгоритма с базовым подходом по свободной энергии ансамбля и по вероятностям спаривания оснований. В результате работы метод проектирования линейных мРНК на основе минимизации ансамблевой энергии адаптирован на случай кольцевых мРНК. Показано, что текущая модификация алгоритма, действительно устраняет нежелательные межрегиональные контакты при пренебрежимо малом и теоретически объяснимом изменении свободной энергии ансамбля.

This bachelor’s thesis is devoted to the development and analysis of a method for designing circular mRNAs based on the minimization of the ensemble free energy of secondary structures, taking into account the functional elements of the circular molecule and a constraint on undesirable inter-region base pairing. The first chapter reviews existing computational mRNA design algorithms, namely LinearDesign and CircDesign. The optimization problems for the minimum free energy and the codon adaptation index are presented, the representation of the space of synonymous sequences by a finite-state automaton is described, together with the lattice parsing technique. The additional constraints that arise in the transition from linear to circular mRNAs are discussed. The second chapter examines the EnsembleDesign algorithm, which minimizes the ensemble free energy. The formal statement of the problem is presented, along with the continuous relaxation of the discrete problem via a distribution over the space of sequences, the notion of the expected partition function, and the probabilistic lattice parsing scheme optimized by projected gradient descent. The third chapter formulates the circular mRNA design problem. The functional modules of the construct (IRES, Kozak, coding region, spacer, back-splice junction) are described, the formal notion of a cross-pair between the IRES and the coding region is introduced, and the need to account for the closedness of the molecule is justified. The fourth chapter proposes and implements three methods for prohibiting cross-pairing: probabilistic post-filtering of candidates, a hard prohibition at the level of dynamic programming recurrences, and a soft prohibition through a penalty parameter λ, which is chosen as the main approach. The fifth chapter describes the treatment of molecular closedness. The RNAfold algorithm and the difference between the linear and circular folding models are considered, and the implementation of the post-processing procedure with recomputation of the secondary structure in circular mode is presented. The sixth chapter presents the results of computational experiments on synthetic and real datasets. The influence of the control parameters is studied, and the developed algorithm is compared with the baseline approach in terms of the ensemble free energy and base-pairing probabilities. As a result of the work, an algorithm for designing circular mRNAs has been developed that accounts for the functional modules of the construct during optimization and suppresses cross-pairing between the IRES and the coding region. It is shown that the internal modification of the algorithm, in contrast to the external appending of modules, indeed eliminates undesirable inter-region contacts at a negligible and theoretically explainable change in the ensemble free energy.