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| 作成者 | カリフォルニア工科大学のNUPACKチーム |
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核酸パッケージ（NUPACK ）は、核酸システムの分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、非営利の学術目的で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。ほとんどの場合、擬似結び目は構造アンサンブルから除外されます。
二次構造モデル
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ます。[3]二次構造のポリマーグラフは、鎖を円の周りに並べ、各鎖の間に切れ目を入れて 5' から 3' に向かってバックボーンを円周に沿って連続して描き、対になった塩基を接続する直線を描くことによって構築できます。すべての鎖の順序が交差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があります。二次構造は、鎖のサブセットが他から自由になっていない場合は接続されています。アルゴリズムは、順序付けられた複合体によって定式化され、各複合体は、鎖セットの特定の順序に対して交差線のないすべての接続されたポリマーグラフの構造アンサンブルに対応します。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を使用して計算されます。[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使用される。[9] [10]
ウェブサーバー
分析
分析ページでは、擬似結び目がない状態で相互作用する核酸鎖の希薄溶液（DNAまたはRNA鎖種の試験管など）の熱力学的特性を分析できます。 [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次の計算を行います。
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ターゲット二次構造を採用することを意図した 1 つ以上のストランドのシーケンスを設計できます。[1]シーケンス設計は、ユーザーが指定した停止条件を下回るアンサンブル欠陥を減らすことを目標とした最適化問題として定式化されます。 [11]候補シーケンスと特定のターゲット二次構造の場合、アンサンブル欠陥は、整列した複合体の構造アンサンブル全体にわたって誤ってペアリングされた平均数です。[12] N ヌクレオチドのターゲット二次構造の場合、アルゴリズムは N/100 を下回るアンサンブル欠陥を達成しようとします。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、シーケンス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の複合体の平衡特性を評価、表示、注釈付けできます。[1] 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入れ、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、さまざまな機能を実行します。いずれの場合も、構造レイアウトは Web アプリケーション内で動的に編集できます。
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を使用し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を使用して生成されます。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。分析および設計アルゴリズムのNUPACKライブラリは、プログラミング言語Cで書かれています。動的プログラムは、Message Passing Interface（MPI）を使用し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 ソースの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
外部リンク
- 公式サイト
- ソースダウンロードページ
- 分子プログラミングプロジェクトのホームページ
- カリフォルニア工科大学ベックマン研究所
参考文献
- ^ abcde Zadeh, JN, CD Steenberg, JS Bois, BR Wolfe, AR Khan, MB Pierce, RM Dirks, NA Pierce, NUPACK: 核酸システムの分析と設計。計算化学ジャーナル
- ^ ダウンロード
- ^ ab 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年49(1):p.65-88。
- ^ Serra, MJ および DH Turner、「RNA の熱力学的特性の予測」。Methods in Enzymology、1995 年。259: p. 242-261。
- ^ Mathews, DH, J. Sabina, M. Zuker、および DH Turner、「熱力学パラメータの拡張された配列依存性により RNA 二次構造の予測が向上」。Journal of Molecular Biology、1999 年、288: p. 911-940。
- ^ 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見方。米国科学アカデミー紀要、1998年。95(4): p. 1460-1465。
- ^ 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 年。33: p. 415-440。
- ^ 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年、21(16):p.3333-3339。
- ^ Dirks, RMおよびNA Pierce、「擬似結び目を含む核酸二次構造のパーティション関数アルゴリズム」。Journal of Computational Chemistry、2003年、24: p. 1664-1677。
- ^ Dirks, RM および NA Pierce、「擬似結び目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 年 25: p. 1295-1304。
- ^ ab 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」。Journal of Computational Chemistry。
- ^ Dirks, RM, M. Lin, E. Winfree, NA Pierce, 計算による核酸設計のパラダイム。核酸研究、2004年、32(4): p. 1392-1403。
- ^ 分子プログラミングプロジェクト
- ^ ベックマン研究所