ヌパック
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作成者カリフォルニア工科大学のNUPACKチーム
URLwww.nupack.org​​
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核酸パッケージ（NUPACK ）は、核酸システムの解析と設計のためのソフトウェアスイートであり、現在も成長を続けています。[ 1 ]ジョブはNUPACKウェブサーバー上でオンラインで実行することも、NUPACKのソースコードをダウンロードしてローカルでコンパイルし、非営利の学術用途に使用することもできます。[ 2 ] NUPACKアルゴリズムは、核酸の二次構造に基づいて定式化されています。多くの場合、擬似ノットは構造アンサンブルから除外されます。

二次構造モデル

二次構造図の例（左）と対応するポリマーグラフ（右）。骨格は太い色付き線で表され、塩基と塩基対は細い黒線で表されます。

相互作用する複数の鎖の二次構造は、塩基対のリストによって定義される。[ 3 ]二次構造のポリマー グラフは、鎖を円周上に並べ、各鎖の間に切れ目を入れて 5' から 3' の方向にバックボーンを順に描き、対になった塩基を結ぶ直線を描くことで作成できる。すべての鎖の順序が交差する線のあるポリマー グラフに対応する場合、二次構造は擬似結び目になっている。鎖のどのサブセットも他のサブセットから自由になっていない場合は、二次構造は接続されている。アルゴリズムは、一連の鎖の特定の順序について、交差する線のないすべての接続されたポリマー グラフの構造集合に対応する、順序付けられた複合体によって定式化される。擬似結び目のない二次構造の自由エネルギーは、1M Na+ [ 4 ] [ 5 ]の RNAまたはユーザー指定の Na+ および Mg++ 濃度の DNA の最近傍経験的パラメーターを使用して計算される。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]擬似結び目（単一RNA鎖のみ）の解析には追加のパラメータが用いられる。[ 9 ] [ 10 ]

ウェブサーバー

分析

解析ページでは、擬似結び目が存在しない相互作用核酸鎖の希薄溶液（例えば、DNAまたはRNA鎖種の試験管）の熱力学的特性を解析することができます。 [ 1 ] [ 3 ]複数の鎖種が相互作用して複数の秩序だった複合体を形成する希薄溶液の場合、NUPACKは各秩序だった複合体について以下の計算を行います。

多重鎖設定で発生する識別可能性の問題を厳密に扱うことも含まれます。

デザイン

設計ページでは、平衡時に擬似結び目のない標的二次構造をとるように1本以上の鎖の配列を設計することができます。[ 1 ]配列設計は、アンサンブル欠陥をユーザーが指定した停止条件以下に低減することを目標とした最適化問題として定式化されます。 [ 11 ]候補配列と与えられた標的二次構造の場合、アンサンブル欠陥とは、整列した複合体の構造アンサンブル全体における誤って対合した平均数です。[ 12 ] Nヌクレオチドの標的二次構造の場合、アルゴリズムはN/100未満のアンサンブル欠陥を達成することを目指します。経験的に、設計アルゴリズムはNが増加するにつれて漸近最適性を示します。十分に大きいNの場合、配列設計のコストは通常​​、アンサンブル欠陥の単一評価のコストの4/3にすぎません。[ 11 ]

ユーティリティ

ユーティリティページでは、相互作用する核酸鎖複合体の平衡特性を評価、表示、注釈付けすることができます。[ 1 ] このページは、配列情報、構造情報、またはその両方を入力として受け付け、提供された情報に基づいて、理想的ならせん構造の有無にかかわらず二次構造の自動レイアウトやレンダリングなど、様々な機能を実行します。いずれの場合も、構造レイアウトはウェブアプリケーション内で動的に編集できます。

ユーティリティ ページでは、A 型ヘリックスを持つ 3 本の RNA 鎖 (左) または B 型ヘリックスを持つ 3 本の DNA 鎖 (右) の複合体のように、積み重ねられた塩基対の理想的なヘリカル形状を持つ二次構造を描画できます。

実装

NUPACKウェブアプリケーション[ 1 ]はRuby on Railsフレームワーク内でプログラムされており、AjaxとDojo Toolkitを用いて動的機能とインタラクティブなグラフィックスを実装しています。プロットとグラフィックスはNumPyとmatplotlibを用いて生成されています。このサイトはSafari、Chrome、Firefoxの最新バージョンのウェブブラウザ でサポートされています。NUPACKの解析・設計アルゴリズムライブラリはC言語で記述されています。動的プログラムはMessage Passing Interface (MPI) を用いて並列化されています。

利用規約

NUPACK Web サーバーと NUPACK ソース コードは非営利の研究目的で提供されており、この制限によりフリーでオープン ソースなソフトウェアではありません。

資金調達

NUPACKの開発は、国立科学財団の分子プログラミングプロジェクト[ 13 ]とカリフォルニア工科大学（Caltech）のベックマン研究所[ 14 ]によって資金提供されています。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e Zadeh, JN, CD Steenberg, JS Bois, BR Wolfe, AR Khan, MB Pierce, RM Dirks, NA Pierce, NUPACK: 核酸システムの解析と設計. Journal of Computational Chemistry
  2. ^ダウンロード
  3. ^ a b Dirks, RM, JS Bois, JM Schaeffer, E. Winfree, NA Pierce, 相互作用する核酸鎖の熱力学的解析 SIAM Review, 2007. 49(1): p. 65-88.
  4. ^ Serra, MJおよびDH Turner、「RNAの熱力学的特性の予測」Methods in Enzymology、1995年、259巻、p. 242-261。
  5. ^ Mathews, DH, J. Sabina, M. Zuker, DH Turner, 熱力学パラメータの配列依存性の拡張によりRNA二次構造の予測精度が向上する. Journal of Molecular Biology, 1999. 288: p. 911-940.
  6. ^ SantaLucia, J., J., ポリマー、ダンベル、オリゴヌクレオチドDNAの最近傍熱力学の統一的視点. 米国科学アカデミー紀要, 1998. 95(4): p. 1460-1465.
  7. ^ SantaLucia, J. および D. Hicks, DNA構造モチーフの熱力学. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 2004. 33: p. 415-440.
  8. ^ Koehler, RTおよびN. Peyret, DNA配列の熱力学的特性：ヒトゲノムの特性値. バイオインフォマティクス, 2005. 21(16): p. 3333-3339.
  9. ^ Dirks, RMおよびNA Pierce, 擬似結び目を含む核酸二次構造のための分割関数アルゴリズム. Journal of Computational Chemistry, 2003. 24: p. 1664-1677.
  10. ^ Dirks, RMおよびNA Pierce, 擬似ノットを含む核酸塩基対形成確率を計算するアルゴリズム. Journal of Computational Chemistry, 2004. 25: p. 1295-1304.
  11. ^ a b Zadeh, JN, BR Wolfe, NA Pierce, 効率的なアンサンブル欠陥最適化による核酸配列設計. 計算化学ジャーナル.
  12. ^ Dirks, RM, M. Lin, E. Winfree, NA Pierce, 計算による核酸設計のパラダイム. Nucleic Acids Research, 2004. 32(4): p. 1392-1403.
  13. ^分子プログラミングプロジェクト
  14. ^ベックマン研究所
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