Monatshefte für Chemie / Chemical Monthly

, Volume 125, Issue 2, pp 167–188

Fast folding and comparison of RNA secondary structures

  • I. L. Hofacker
  • W. Fontana
  • P. F. Stadler
  • L. S. Bonhoeffer
  • M. Tacker
  • P. Schuster
Organische Chemie Und Biochemie

Summary

Computer codes for computation and comparison of RNA secondary structures, the Vienna RNA package, are presented, that are based on dynamic programming algorithms and aim at predictions of structures with minimum free energies as well as at computations of the equilibrium partition functions and base pairing probabilities.

An efficient heuristic for the inverse folding problem of RNA is introduced. In addition we present compact and efficient programs for the comparison of RNA secondary structures based on tree editing and alignment.

All computer codes are written in ANSI C. They include implementations of modified algorithms on parallel computers with distributed memory. Performance analysis carried out on an Intel Hypercube shows that parallel computing becomes gradually more and more efficient the longer the sequences are.

Keywords

Inverse folding parallel computing public domain software RNA folding RNA secondary structures tree editing 

Schnelle Faltung und Vergleich von Sekundärstrukturen von RNA

Zusammenfassung

Die im Vienna RNA package enthaltenen Computer Programme für die Berechnung und den Vergleich von RNA Sekundärstrukturen werden präsentiert. Ihren Kern bilden Algorithmen zur Vorhersage von Strukturen minimaler Energie sowie zur Berechnung von Zustandssumme und Basenpaarungswahrscheinlichkeiten mittels dynamischer Programmierung.

Ein effizienter heuristischer Algorithmus für das inverse Faltungsproblem wird vorgestellt. Darüberhinaus präsentieren wir kompakte und effiziente Programme zum Vergleich von RNA Sekundärstrukturen durch Baum-Editierung und Alignierung.

Alle Programme sind in ANSI C geschrieben, darunter auch eine Implementation des Faltungs-algorithmus für Parallelrechner mit verteiltem Speicher. Wie Tests auf einem Intel Hypercube zeigen, wird das Parallelrechnen umso effizienter je länger die Sequenzen sind.

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References

  1. [1]
    Cech T. R., Bass B. L. (1986) Annu. Rev. Biochem.55: 599–629Google Scholar
  2. [2]
    Symons R. H. (1992) Small catalytic RNAs. Annu. Rev. Biochem.61: 641–671Google Scholar
  3. [3]
    Beaudry A. A., Joyce G. F. (1992) Science257: 635–641Google Scholar
  4. [4]
    Ellington A. D., Szostak J. W. (1990) Nature346: 818–822Google Scholar
  5. [5]
    Fontana W., Griesmacher T., Schnabl W., Stadler P. F., Schuster P. (1991) Mh. Chem.122: 795–819Google Scholar
  6. [6]
    Fontana W., Stadler P. F., Bornberg-Bauer E., Griesmacher T., Hofacker I. L., Tacker M., Tarazona P., Weinberger E. D., Schuster P. (1993a) Phys. Rev. E47: 2083–2099Google Scholar
  7. [7]
    Fontana W., Konings D. A. M., Stadler P. F., Schuster, P. (1993b) Biopolymers33: 1389–1404Google Scholar
  8. [8]
    Eigen M., Winkler-Oswatitsch R., Dress A. (1988) Proc. Natl. Acad. Sci. USA85: 5913–5917Google Scholar
  9. [9]
    Bandelt H.-J., Dress A. W. M. (1992) Adv. Math.92: 47–105Google Scholar
  10. [10]
    Zuker M., Stiegler P. (1981) Nucleic Acids Res.9: 133–148Google Scholar
  11. [11]
    Zuker M., Sankoff D. (1984) Bull. Math. Biol.46: 591–621Google Scholar
  12. [12]
    McCaskill J. S. (1990) Biopolymers29: 1105–1119Google Scholar
  13. [13]
    Waterman M. S. (1978) Advances in Mathematics Suppl. Studies. Vol. 1. New York: Academic Press, pp. 167–212Google Scholar
  14. [14]
    Waterman M. S., Smith T. F. (1978) Math. Biosc.42: 257–266Google Scholar
  15. [15]
    Nussinov R., Jocobson A. B. (1980) Proc. Natl. Acad. Sci. USA77: 6309–6313Google Scholar
  16. [16]
    Nussinov R., Pieczenik G., Griggs J. R., Kleitman D. J. (1978) SIAM J. Appl. Math.35: 68–82Google Scholar
  17. [17]
    Martinz H. M. (1984) Nucleic Acids Res.12: 323–334Google Scholar
  18. [18]
    Schuster P., Fontana W., Stadler P. F., Hofacker I. L. (1993) PreprintGoogle Scholar
  19. [19]
    Tacker M., Fontana W., Stadler P. F., Schuster P. (1993) PreprintGoogle Scholar
  20. [20]
    Fontana W., Schuster P. (1987) Biophys. Chem.26: 123–147Google Scholar
  21. [21]
    Fontana W., Schnabl W., Schuster P. (1989) Phys. Rev. A40: 3301–3321Google Scholar
  22. [22]
    Freier S. M., Kierzek R., Jaeger J. A., Sugimoto N., Caruthers M. H., Neilson T., Turner D. H. (1986) Proc. Natl. Acad. Sci. USA83: 9373–9377Google Scholar
  23. [23]
    Jaeger J. A., Turner D. H., Zuker M. (1989) Proc. Natl. Acad. Sci. USA86: 7706–7710Google Scholar
  24. [24]
    Zuker M. (1989) Science244: 48–52Google Scholar
  25. [25]
    Shapiro B. (1988) CABIOS4: 387–393Google Scholar
  26. [26]
    Shapiro B., Zhang K. (1990) CABIOS6: 309–318Google Scholar
  27. [27]
    Tai K. (1979) J. ACM26: 422–433Google Scholar
  28. [28]
    Sankoff D., Kruskal J. B. (1983) London: Addison WesleyGoogle Scholar
  29. [29]
    Hogeweg P., Hesper B. (1984) Nucleic Acids Res.12: 67–74Google Scholar
  30. [30]
    Konings D. A. M. (1989) Proefschrift, Rijksuniversiteit te UtrechtGoogle Scholar
  31. [31]
    Konings D. A. M., Hogeweg P. (1989) J. Mol. Biol.207: 597–614Google Scholar
  32. [32]
    Bonhoeffer S., McCaskill J. S., Stadler P. F., Schuster P. (1993) Eur. Biophys. J.22: 13–24Google Scholar
  33. [33]
    Waterman M. S. (1984) Bull. Math. Biol.46: 473–500Google Scholar
  34. [34]
    Jacobson A. B. (1991) J. Mol. Biol.221: 557–570Google Scholar
  35. [35]
    Eigen M., Gardiner W. (1984) Pure Appl. Chem.56: 967–978Google Scholar
  36. [36]
    Kauffman S. A. (1992) J. Theor. Biol.157: 1–7Google Scholar
  37. [37]
    Hofacker I. L., Schuster P., Stadler P. F. (1993) PreprintGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1994

Authors and Affiliations

  • I. L. Hofacker
    • 1
  • W. Fontana
    • 3
  • P. F. Stadler
    • 1
    • 3
  • L. S. Bonhoeffer
    • 4
  • M. Tacker
    • 1
  • P. Schuster
    • 1
    • 2
    • 3
  1. 1.Institut für Theoretische ChemieUniversität WienWienAustria
  2. 2.Institut für Molekulare BiotechnologieJenaFederal Republic of Germany
  3. 3.Santa Fe InstituteSanta FeUSA
  4. 4.Department of ZoologyUniversity of OxfordOxfordUK

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