25.06.2025, 09:30 Uhr
Universität Wien
Währinger Str. 17
3. Stock
1090 Wien
Titel: Domain-level design and simulation of pseudoknot-free
cotranscriptional folding pathways
Kurzfassung:
RNA-Moleküle falten sich während ihrer Synthese zu komplexen Strukturen, ein Prozess,
der als cotranskriptionelle Faltung bezeichnet wird. Der Verlauf dieses Prozesses kann die
Struktur und Funktion der RNA entscheidend beeinflussen. Daher ist es wichtig, RNAs
nicht nur im Hinblick auf ihre endgültige Struktur zu designen, sondern den Prozess der
cotranskriptionellen Faltung bereits im Design gezielt zu berücksichtigen und während
der Transkription aktiv zu steuern. Diese Masterarbeit stellt eine neue Methodik zum
Design von RNA-Sequenzen auf der Basis sogenannter abstrakter cotranskriptioneller
Faltungspfade (aCFPs) vor. Ein aCFP definiert eine vordefinierte Abfolge von Strukturen,
die die RNA zu bestimmten Zeitpunkten während der Transkription einnehmen
soll und führt das RNA-Molekül schrittweise zu seiner endgültigen Struktur. Dabei
konzentrieren sich aCFPs ausschließlich auf strukturelle Veränderungen von Helices und
ungepaarten Bereichen, ohne explizite Helixlängen oder detaillierte Sequenzanforderungen
berücksichtigen zu müssen. Um aCFPs effizient zu implementieren, wird in dieser Arbeit
eine Domänenebene als Zwischenschritt verwendet, um die abstrakte Design-Ebene mit
der konkreten Nukleotidebene zu verbinden. Inspiriert durch domain-level strand displacement
systems integriert das hier vorgestellte Designschema spezifische kurze Domänen
(Toeholds), um gezielt strukturelle Umfaltungen während der Transkription auszulösen.
Die Domänenebene wird dabei nicht nur als Design-Zwischenschritt genutzt, sondern dient
gleichzeitig als Validierungsschritt. So wird die cotranskriptionelle Faltung zunächst auf
Domänenebene simuliert und überprüft, bevor auf Nukleotidebene weitergearbeitet wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Softwarepaket CocoPaths entwickelt, welches drei
Programme für das Design und die Validierung von cotranskriptionellen Faltungspfade
umfasst: (I) CocoPath validiert aCFPs und übersetzt sie in domänenbasierte Sequenzen;
(II) CocoSim simuliert die cotranskriptionelle Faltung auf Domänenebene und ermöglicht
die Überprüfung und Optimierung der entworfenen Sequenzen; (III) CocoDesign
übersetzt validierte domänenbasierte Designs in konkrete nukleotidbasierte Sequenzen,
die den gewünschten Faltungspfade auf Nukleotidebene realisieren. Durch die Einführung
dieses domänenbasierten Ansatzes und der zugehörigen Software CocoPaths erweitert
diese Masterarbeit bestehende RNA-Designmethoden und bietet eine solide Grundlage
für das Design und die Validierung von RNA-Sequenzen mit gezielt kontrollierbaren
cotranskriptionellen Faltungspfade.