ARN késako ?

1. ARN késako ? Julie BERNAUER AdrienGUILHOT-GAUDEFFROY Yann PONTY Mireille REGNIER EQUIPE PROJET AMIB InriaSaclay 28 Septembre 2012

2. 1 Les ARN et leur repliement Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

3. Principe central de la biologiemoléculaire G T C G A G T C A ADN ARN Poly. C A G C T C A G T ARNm G U C G A G U C A Ribosome Ala Leu Cyt Protéine Règle: ADN (A,C,G,T) → ARN (A,C,G,U) →Protéine Maisilexiste de trèsnombreusesexceptions, et de trèsnombreuxautresrôles pour l’ARN ! Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

4. Repliement des ARN • ARN = un seul brin • Structure très variable … • … plus conservée au cours de l’évolution que la séquence • Diversité de fonction Fonction (partiellement) codée dans la structure Prédire le repliement de l’ARN Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

5. Les paires de bases (Canoniques) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

6. La structure secondaire : Une simplification raisonnable Contraintes/Règles du jeu • Uniquement Watson/Crick (A/U et G/C) et Wobble (G/U) • Pseudonoeudsinterdits G U … G G G A G U A C G C Modèle 3D ARN ribosomal (5s) Structure secondaire Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

7. Repliement par minimisation de l’énergielibre Séquenced’ARN …CAGUAGCCGAUCGCAGCUAGCGUA… Nombreuses structures secondaires Paradigmehistorique : Structure fonctionnelle= Structure compatible la plus stable = Structure d’énergielibreminimale Nombre maximal de paires de bases Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

8. 2 Au boulot … Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

9. A vous de jouer ! GAGAAGUACUUGAAAUUGGCCUCCUC Saurez vous trouver, pour l’ARN ci-dessus, le repliement ayant un nombre maximal de paires de bases ? Règles : Seules les paires de bases canoniquessont autorisées. Les croisementset liaisons extérieuressont interdites. U A C U G G A U G G C U Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

10. Solution Cerepliementestle seul à appariertoutes les bases. Il existait8 553 597repliements(partiels) valides. Comment retrouvercerepliement sans les énumérertous ?  Algorithme de programmationdynamique (Diviser pour régner + Mémorisation des résultats) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

11. 3 Le design d’ARN Un problème inverse Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

12. Design d’ARNstructurés • On sait (à peuprès) prédire le repliement des ARN • Pourrait on s’enservir pour créerde nouvellesmolécules ? Design d’ARN : Créeruneséquence se repliant en unestructure secondaireprédéterminée (ex. : rôlethérapeutique). Prédiction du repliement …CAGUAGCCGAUCGCAGCUAGCGUA… Design d’ARN Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

13. A vous de jouer… Aucunalgorithme exact et efficacen’estactuellementconnu. Saurezvousrésoudre le problèmeà la main ? But du jeu : Créeruneséquence ARN • se repliantoptimalementen la structure cible #maximal de paires de bases = #pairesdans structure cible. • de façonunique pas de repliementalternatifayantautant de paires de bases. Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

14. A vous de jouer… Positions correctes Nombre de repliements co-optimaux (7 paires de base) Navigation parmisles co-optimaux Séquence courante Repliementvisé Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

15. A vous de jouer… La séquence est modifiée en cliquant sur une position Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

16. A vous de jouer… La séquence est modifiée en cliquant sur une position Le repliement de la nouvelle séquence est calculé et affiché Le nombre de repliements co-optimaux est mis à jour Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

17. A vous de jouer… La séquence est modifiée en cliquant sur une position La partie se termine quand le repliement est correct et unique. Le repliement de la nouvelle séquence est calculé et affiché Le nombre de repliements co-optimaux est mis à jour Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

18. Merci !Questions ? • AMIB Saclay • www.inria.fr

19. Algorithmique du repliement Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

20. Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

21. ? Quelcaschoisir ??? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

22. … ? ? ? Quelcaschoisir ??? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

23. 20 19 17 2 16 0 20 <22 … 18 22 20 Quelcaschoisir ??? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

24. … … Quelcaschoisir ???Fautiltout essayer ? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

25. Quelcaschoisir ???Fautiltout essayer ? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

26. Migraine Nombreexponentiel de solutions→ Impossible de tout essayer !! Quelcaschoisir ???Fautil tout essayer ? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

27. Migraine Nombreexponentiel de solutions→ Impossible de tout essayer !! Quelcaschoisir ???Fautil tout essayer ? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

28. #Atomesdansl’univers (1080) Migraine Nombreexponentiel de solutions→ Impossible de tout essayer !! Quelcaschoisir ???Fautil tout essayer ? Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

29. … … Maiscalculredondant … Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

30. Maiscalculredondant … Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

31. … Solution : Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

32. … 20 ! ? Solution : Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

33. … 19 ! ? Solution : Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

34. ? … 18 ! 0 ! ? Solution : Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

35. … 16 ! 2 ! ? ? Solution :Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

36. … 19 ! ? Solution : Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

37. … 18 ! ? Solution : Diviser pour régner(Déléguer pour résoudre) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

38. Combiençacoûte ? (Programmationdynamique) = Max Max( + + ) • Nombre de danseurs → n • Un assistant par régiondans la ronde→ (n*(n-1)) / 2 ≈ n2 • Chaque assistant fait, au pire, ncalculs • Nombre total de calculs :A peuprèsn3 … ! ? ? ? ? ? Attention à l’ordre des calculs(Commencer par les petites régions …) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

39. Combiençacoûte Migraine = Max Max( + + ) • Nombre de danseurs → n • Un assistant par régiondans la ronde→ (n*(n-1)) / 2 ≈ n2 • Chaque assistant fait, au pire, n+1calculs • Nombre total de calculs :A peuprèsn3 … ! ? ? ? ? ? Attention à l’ordre des calculs(Commencer par les petites régions …) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

40. Combiençacoûte Migraine = Max Max( + + ) 40 40 • Nombre de danseurs → n • Un assistant par régiondans la ronde→ (n*(n-1)) / 2 ≈ n2 • Chaque assistant fait, au pire, n+1calculs • Nombre total de calculs :A peuprèsn3 … ! ? ? ? ? ? Attention à l’ordre des calculs(Commencer par les petites régions …) Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

41. Quelques applications Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

42. Performances Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

43. Evaluer la qualitéd’uneprédiction Intron du groupeII (D1-D4)RFAM ID: RF02001 RNAFold[Gruber AR et al. NAR 2008] Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

44. Evaluer la qualitéd’uneprédiction Intron du groupeII (D1-D4)RFAM ID: RF02001 RNAFold[Gruber AR et al. NAR 2008] Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB

45. Evaluer la qualitéd’uneprédiction Intron du groupeII (D1-D4)RFAM ID: RF02001 RNAFold[Gruber AR et al. NAR 2008] Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB De faiblesprobabilitésindiquent des régionsincertaines BP>99% → Avg. PPV>90% BP>90% → PPV>83%

46. Sensibilité des ARN aux mutations [Halvorsen M et al, PLOS Gen 2010] Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB Echantillonage→ Clustering→ PCA

47. Sensibilitédes ARN aux mutations ? [Halvorsen M et al, PLOS Gen 2010] Nuit des chercheurs - LIX/Inria AMIB Echantillonage→ Clustering → PCA