並列計算生物学とRNA構造
計算パラダイムの革命的な変化は、分子生物学の問題を解決するために必要な計算能力を維持するために必要とされ シーケンシャルコンピュータアーキテクチャに基づく方法論は、必要な計算速度に継続的に追いつくことは期待できませんでした。 必要な高速に対応するために、高度に並列な計算技術が採用されています。 私たちのグループは、計算生物学の分野における先駆者の一人であり、この努力のために並列高性能コンピュータアーキテクチャを使用していました。

RNA二次構造予測と解析のための計算技術
私たちは、遺伝的アルゴリズムからの概念を使用してRNA折りたたみ技術を開発した最初のものでした。 私たちのアルゴリズム、MPGAfoldは、もともと超並列SIMDスーパーコンピュータ、MasPar MP-2 16384プロセッサで実行するために開発されました。 このアルゴリズムは修正され、現在は並列高性能Linuxクラスタ上で実行されています。 数十万個の母集団要素を持つアルゴリズムを実行する能力により、例外的なスケーリング特性が得られます。 RNA pseudoknot予測は遺伝的アルゴリズムの一部であり、その結果、三次相互作用を予測する能力がある。 他の特徴は、共転写折りたたみのシミュレーション、異なるエネルギールールを組み込む能力、および所望の螺旋茎の強制的な阻害および埋め込みを含む。 さらに、当社の異種バイオインフォマティクスRNA分析ワークベンチであるSTRUCTURELABをMPGAfoldおよびRNA2D3Dと組み合わせて使用して、RNA構造の予測された3D原子座標を生成し、これらの構造の可視化を行うことができます。 また、STRUCTURELABの一部である新しい対話型可視化方法論を開発しました。 この技術により、系統発生の観点から複数の配列RNAフォールドの比較と分析が可能になり、配列ファミリー全体で予測された構造結果の改善が可能にな
我々は、配列アラインメントからRNA構造予測のための新規かつ強力なアルゴリズムであるKNetFoldを開発しました。 このアルゴリズムは，相互情報，熱力学およびＷａｔｓｏｎ-Ｃｒｉｃｋベースpairednessに基づくユニークな階層分類ネットワークを用いて構造を予測する。 さらに、我々は、塩基対位置間の共分散を決定するためにRNA配列アラインメントから派生した相互情報を使用して、webベースのアプリケーション、CorreLogoを開発し このアルゴリズムには固有の誤差尺度が含まれており、結果を3Dで表します。
我々は、単一の配列から、pseudoknotsを含む可能性のあるRNA二次構造を予測するためのユニークなアルゴリズムであるCyloFoldを開発しました。 このアルゴリズムは、予測された構造における3D立体衝突の可能性を近似し、それらの構造を考慮から除外する新しい技術を利用しています。 このアルゴリズムは、そのタイプの他のアルゴリズムと比較して高い精度を有することが示されている。
形状から得られたデータ（プライマー伸長によって分析された選択的2′-ヒドロキシルアシル化）実験から塩基対形成の精度を推定するベイズ統計的 統計的/確率的結果は、既知の塩基相互作用の様々なタイプを有する既知のRNA3D構造を分析し、それらを形状値と相関させることによって導出された。 低い形状値はＷａｔｓｏｎ-Ｃｒｉｃｋ塩基対形成とスタッキング相互作用とよく相関し，高い形状値は一本鎖領域を示すことを示した。 2または3のベースコンテキストも考慮に入れた場合、改善が見られる可能性があります。 我々はまた、他のタイプの既知の相互作用がうまく相関しないことを示した。 このタイプの情報は、最終的にＲｎａの二次構造を決定するのに有用である。

RNAフォールディング経路の計算研究
RNAフォールディング経路は、RNA機能の決定において非常に重要であることが証明されています。 研究は、RNAがその機能の鍵となる中間立体配座状態に入る可能性があることを示している。 これらの状態は、遺伝子発現に重大な影響を及ぼす可能性がある。 RNA分子の生物学的機能状態は、その最小エネルギー状態に対応していない可能性があること、分子を局所的な最小値にトラップする運動障壁が存在すること、転写中にフォールディングがしばしば起こること、分子が本来の状態に達する前に一つ以上の機能的立体配座の間で遷移する場合が存在することが知られている。 したがって、共転写折り畳みを含むRNA分子の折り畳み経路をシミュレートし、重要な中間状態を見つけるための方法は、RNA構造とその関連する機能の予 いくつかの生物学的RNAフォールディング経路は、MPGAfoldとSTRUCTURELABを用いて成功裏に研究されている。 例としては、ジャガイモ紡錘形塊茎ビロイド、大腸菌プラスミドR1の宿主殺傷機構、デルタ型肝炎ウイルス、HIV、およびデングウイルスが挙げられる。 これらの計算結果は生物学的実験から得られた結果と一致した。 さらに、新規な構造相互作用および重要な機能的中間およびネイティブ状態が予測されている。 これらは、さらに成功した確認実験につながっています。

RNA相互作用ネットワークの計算予測
我々はまた、全ゲノムアラインメントを使用して長距離共変RNA相互作用ネットワークを探索するプログラムCovaRnaとCovStat ショウジョウバエのゲノムに適用されたこの新しい方法論は、現在、他のゲノムに適用されています。 プログラムの並列バージョンは、処理を高速化するために考案され、アルゴリズムはまた、非常に重要な相互作用を決定するために、高速な索引方式と保守的な統計的方法に依存しています。 この方法論は、内因性sirna、遺伝子輸送および形態形成に関連する遺伝子に関連する興味深い相互作用を発見した。

三次元RNA構造の計算研究
RNA分子のいくつかの構造要素は、分子力学と分子動力学シミュレーションを用いて研究されています。 調べた構造には，テトラループの温度依存性変性とその後の元の結晶構造への再フォールディングが行われたＲＮＡテトラループが含まれる。 Thermus thermophilusから30sリボソームサブユニットのコア中央ドメインからの三方接合を検討しました。 これは、実験的に三方接合とS15リボソームタンパク質との間の分子間相互作用が30sリボソームサブユニットのアセンブリのプロセスを開始するこ 分子動力学シミュレーションを使用して、我々はS15の結合に関連付けられている接合部の立体配座遷移への洞察を得た。 我々は、分子動力学シミュレーション、北または南の立体配座（C2’またはC3’exo）に制約されている炭素環糖を含む修飾RNAヌクレオチドの新しいタイプを利 さらに，分子動力学シミュレーションを用いて，イオンと隣接塩基がヒト免疫不全ウイルス（ＨＩＶ）キスループモノマー立体配座において非常に重要な役割を果たしていることを示した。 これらの結果はよく相関し、HIV-1二量体化のためのイオンの重要性を示す実験的研究を詳細に説明するかもしれません。

テロメラーゼの擬似ノットドメインについても検討した。 ヘアピンループを含むｐｓｅｕｄｏｋｎｏｔドメインの分子モデリングと分子動力学を行った。 結果は、ヘアピンループダイナミクスは、ステムで見つかった非標準的なU-U塩基対の開閉にどのように影響を与えるかを示した。 開口部は擬似ノトの形成のための核形成点を示唆した。 また、ループ内の角化異常（dkc）変異の効果と、ヘアピンループ内の比較的安定な水素結合ネットワークを形成することによって、茎の開口の傾向を減少させた方法を検討した。 我々は、系統発生解析と組み合わせた私たちのRNA2D3Dソフトウェアを使用してpseudoknot自体をモデル化しました。 Ｄｋｃ変異が擬ノットに及ぼす力学的影響を調べ，擬ノットは不安定になり，ヘアピン形はより安定になることを調べた。

我々は、カブクリンクルウイルス（その種の最初の発見）とエンドウenation Mosaicウイルスの3’Utrに見られる新しいタイプの翻訳エンハンサーの3D構造を発見し、 これらの構造要素の発見は、一般的に翻訳メカニズムを理解するためのより広い意味を持っている可能性があり、真核生物の植物ウイルスの翻訳増強のための新しいメカニズムを明るみにもたらしました。 これは、MPGAfold、私たちの3D分子モデリングソフトウェアRNA2D3D、および私たちの実験協力者との密接な相互作用を併用して達成されました。 また、CCR5mRNAで見つかった新規pseudoknotをモデル化しました。 この擬似ノットフレームシフティングに関与しており、マイクロrna、マイクロrnaのための新しい機能によって安定化されるように見えます。
また、RNA3Dダイナミクスに関連する計算コストを削減するために、弾性ネットワーク補間に基づく方法を採用しています。 三次元動力学軌道は，還元原子表現と与えられた立体配座状態を用いて決定することができる。 この方法を使用すると、計算時間を数週間から数時間に短縮できます。
計算RNAナノ生物学
RNAナノ生物学は、治療を含む多くの分野で使用する可能性を秘めているナノデバイスの開発のための新しいモダリティを表 上記のように私たちの経験に基づいて、我々は所望のナノ複合体に組み立てることができるヌクレオチド配列のセットを決定するための手段を提 これらのツールの1つは、RNAJunctionと呼ばれるリレーショナルデータベースです。 このデータベースには、既知のRNAヘリカル接合およびキスループ相互作用の構造および配列情報が含まれています。 これらのモチーフは、RNAナノビルディングブロックのソースを提供する、さまざまな方法で検索することができます。 別の計算ツール、NanoTilerは、指定されたRNAベースのナノスケールの形状を構築するためにユーザーを可能にします。 NanoTilerは、設計されているオブジェクトの3Dグラフィカルビューを提供し、正確なRNA配列がまだ指定されておらず、全原子モデルが利用できないにもかか NanoTilerは、定義されたRNAナノ形状を構築するために、指定されたRNA二次構造パターンから派生したものとRNAJunctionデータベースで見つかった3Dモチーフを使用するこ また、組合せ探索は、通常は考慮されない構造を列挙するために適用することができる。

RNAナノ構造設計のための別のwebベースのソフトウェアツールは、多鎖RNA構築物の構造と配列属性を予測することができるいくつかのソフトウェアツールの一つであるNanoFolder、です。 このソフトウェアを使うと望ましい二次構造のモチーフを指定し、ソフトウェアに正しい内部およびインター繊維の折る特徴のこれらの望ましいモチ

実験RNAナノ生物学
RNAナノデザインに上記の計算アプローチに基づいて、我々は実験的に自己集合し、いくつかのRNAベースのナノ粒子を機能化する能 これは、実験的アプローチと計算的アプローチの間の密接な相互作用によって達成され、両方の方法論のセットが強化されました。 例としては、6本鎖および10本鎖立方体の自己集合、自然から抽出されたRNAモチーフを利用した様々なサイズの六角形リングおよび二重リングの自己集合; また、適切なジオメトリを維持しながら、歩留まりを向上させるためにモチーフ内の配列の変更;と三角形の構造の自己組織化。 我々はまた、自己組織化プロトコルを定義し、これらのナノ粒子の化学的安定性を高めるために修飾された塩基を含むことができる構築物の共転写組 さらに、我々は制御された化学量論と遺伝子サイレンシングを可能にするために、最大六つの異なるsirnaでこれらの粒子を官能化し、これらの粒子は、様々な細胞株にトランスフェクトしたときに実際に指定された遺伝子を沈黙させることを示した。

我々はまた、分割機能を含むRNA/DNAハイブリッドナノコンストラクトの使用に基づいて別のパラダイムを模索してきました。 これは、例えば、細胞にトランスフェクトされたときにＤＮＡ二重鎖およびダイサブルｓｉＲＮＡに再集合するＤＮＡ ｔｏｅｈｏｌｄを有する２つのＤＮＡ／ＲＮＡハイブリッド成分へのＤｉｃｅｂｅａｔｉｖｅ ｓｉＲＮＡの分割を可能にする。 このハイブリッドアプローチは、六方晶ナノリングとナノキューブに組み込まれています。 このアプローチの有用性は、とりわけ、機能性の制御された活性化、RNA機能性およびヌクレアーゼ分解に対する抵抗性とinteferingなしでDNA鎖上の分子ビーコンの取 このアプローチは、細胞培養およびxenograph腫瘍マウスモデルで正常に試みられている。
計算システムの多くは、私たちの研究室とNIHの内外の他の環境に適応しており、http://www-CCRNP.ncifcrf.gov/~bshapiroのウェブサイトからアクセスできます。