Most functional RNA molecules have characteristic structures that are highly conserved in evolution. Many of them contain pseudoknots. Here, we present a method for computing the consensus structures including pseudoknots based on alignments of a few sequences. The algorithm combines thermodynamic and covariation information to assign scores to all possible base pairs, the base pairs are chosen with the help of the maximum weighted matching algorithm. We applied our algorithm to a number of different types of RNA known to contain pseudoknots. All pseudoknots were predicted correctly and more than 85 percent of the base pairs were identified.

The RFAM database defines families of ncRNAs by means of sequence similarities that are sufficient to establish homology. In some cases, such as microRNAs and box H/ACA snoRNAs, functional commonalities define classes of RNAs that are characterized by structural similarities, and typically consist of multiple RNA families. Recent advances in high-throughput transcriptomics and comparative genomics have produced very large sets of putative noncoding RNAs and regulatory RNA signals. For many of them, evidence for stabilizing selection acting on their secondary structures has been derived, and at least approximate models of their structures have been computed. The overwhelming majority of these hypothetical RNAs cannot be assigned to established families or classes. We present here a structure-based clustering approach that is capable of extracting putative RNA classes from genome-wide surveys for structured RNAs. The LocARNA (local alignment of RNA) tool implements a novel variant of the Sankoff algorithm that is sufficiently fast to deal with several thousand candidate sequences. The method is also robust against false positive predictions, i.e., a contamination of the input data with unstructured or nonconserved sequences. We have successfully tested the LocARNA-based clustering approach on the sequences of the RFAM-seed alignments. Furthermore, we have applied it to a previously published set of 3,332 predicted structured elements in the Ciona intestinalis genome (Missal K, Rose D, Stadler PF (2005) Noncoding RNAs in Ciona intestinalis. Bioinformatics 21 (Supplement 2): i77–i78). In addition to recovering, e.g., tRNAs as a structure-based class, the method identifies several RNA families, including microRNA and snoRNA candidates, and suggests several novel classes of ncRNAs for which to date no representative has been experimentally characterized.

We report an efficient method for detecting functional RNAs. The approach, which combines comparative sequence analysis and structure prediction, already has yielded excellent results for a small number of aligned sequences and is suitable for large-scale genomic screens. It consists of two basic components: (i) a measure for RNA secondary structure conservation based on computing a consensus secondary structure, and (ii) a measure for thermodynamic stability, which, in the spirit of a z score, is normalized with respect to both sequence length and base composition but can be calculated without sampling from shuffled sequences. Functional RNA secondary structures can be identified in multiple sequence alignments with high sensitivity and high specificity. We demonstrate that this approach is not only much more accurate than previous methods but also significantly faster. The method is implemented in the program rnaz, which can be downloaded from www.tbi.univie.ac.at/~wash/RNAz. We screened all alignments of length n ≥ 50 in the Comparative Regulatory Genomics database, which compiles conserved noncoding elements in upstream regions of orthologous genes from human, mouse, rat, Fugu, and zebrafish. We recovered all of the known noncoding RNAs and cis-acting elements with high significance and found compelling evidence for many other conserved RNA secondary structures not described so far to our knowledge.

In contrast to the fairly reliable and complete annotation of the protein coding genes in the human genome, comparable information is lacking for noncoding RNAs (ncRNAs). We present a comparative screen of vertebrate genomes for structural noncoding RNAs, which evaluates conserved genomic DNA sequences for signatures of structural conservation of base-pairing patterns and exceptional thermodynamic stability. We predict more than 30,000 structured RNA elements in the human genome, almost 1,000 of which are conserved across all vertebrates. Roughly a third are found in introns of known genes, a sixth are potential regulatory elements in untranslated regions of protein-coding mRNAs and about half are located far away from any known gene. Only a small fraction of these sequences has been described previously. A comparison with recent tiling array data shows that more than 40% of the predicted structured RNAs overlap with experimentally detected sites of transcription. The widespread conservation of secondary structure points to a large number of functional ncRNAs and cis-acting mRNA structures in the human genome.

Cardiac dysfunction accelerates the risk of heart failure, and its pathogenesis involves a complex interaction between genetic and environmental factors. Variations in myosin affect contractile abilities of cardiomyocytes and cause structural and functional abnormalities in myocardium. The study aims to find the association of MYH7 rs121913642 (c.1594 T>C) and rs121913645 (c.667G>A) variants with cardiac dysfunction in the Punjabi Pakistani population. Patients with heart failure (n = 232) and healthy controls (n = 205) were enrolled in this study. MYH7 variant genotyping was performed using tetra ARMS-PCR. MYH7 rs121913642 TC genotype was significantly more prevalent in the patient group (p < 0.001). However, MYH7 rs121913645 genotype frequencies were not significantly different between the patient and control groups (p < 0.666). Regression analysis also revealed that the rs121913642 C allele increases the risk of cardiac failure by ~2 [OR:1.98, CI: 1.31–2.98, p < 0.001] in comparison to the T allele. High levels of the cardiac enzymes cardiac troponin I (cTnI) and CK-MB were observed in patients. There was also an increase in total cholesterol, LDL cholesterol, and uric acid in patients compared to the healthy control group (p < 0.001). In conclusion, the MYH7 gene variant rs121913642 is genetically associated with cardiac dysfunction and involved in the pathogenesis of HF.

Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Eignung bakterieller Hüllproteine als Bindungsmatrix für die Kopplung funktionaler Moleküle mit dem Ziel, sensorische Schichten zu erzeugen. Bakterielle Hüllproteine sind biologische SAMs, anderen Oberfläche sich modifizierbare COOH-, NH2- und OH-Gruppen befinden. Die Ausbildung polymerer Strukturen erfolgt dabei in wässrigen Systemen und auf Oberflächen. Im Zuge der boomenden Entwicklung von Biosensoren werden insbesondere Biotemplate gesucht, die zwischen biologischer Komponente und Sensoroberfläche vermitteln. Bakterielle Hüllproteine stellen eine solche Zwischenschicht dar. Als Anwendungsbeispiel wurden die Proteine daher mit einem FRET-Paar und Thrombin und Kanamycin-Aptameren modifiziert. Hierbei wurden das FRET-Paar H488 und H555 an die bakteriellen Hüllproteine der beiden Haldenisolate A12 und B53 mittels EDC mit einer Modifizierungsrate von 0,54 molFarbstoff/molProtein kovalent gebunden. Bei der vorhandenen p4-Symmetrie bedeutet dies, dass ein FRET-Paar pro Einheitszelle vorhanden war. Der Nachweis eines Energietransfers zwischen den beiden am Protein gebundenen Fluoreszenzfarbstoffen H488 und H555 erfolgte mittels statischer und zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Energietransfer nur möglich war, wenn die Proteine in polymerer Form vorlagen, unabhängig davon, ob sich die Proteine immobilisiert an einer Oberfläche oder in wässriger Lösung befanden. Mittels Variieren des Donor-Akzeptor-Verhältnisses konnte ein maximaler Energietransfer von 40 % generiert werden, wenn das Verhältnis der Fluoreszenzfarbstoffe von Donor und Akzeptor 4 betrug. Die Fluoreszenzintensität der Fluorophore wurde durch die Bindung an die Proteine nicht verringert oder gelöscht. Dies legt nahe, dass die Farbstoffe in den hydrophoben Poren immobilisiert wurden und die Poren die Fluoreszenzfarbstoffe schützen. Um weitere Aussagen über die Lage der gebundenen Fluoreszenzfarbstoffe zu erhalten, wurden die bakteriellen Hüllproteine der Stämme A12 und B53 enzymatisch verdaut und die Fragmente mittels SEC und SDS-PAGE untersucht. Dabei zeigten sich je nach Enzym und Protein unterschiedliche Bandenmuster bezüglich modifizierter und nativer Hüllproteine. Dies belegt, dass die Fluoreszenzfarbstoffe an NH2-und COOH-Gruppen der Proteine gebunden wurden und so teilweise den enzymatischen Verdau hinderten. Die SEC deutet an, dass die Fluoreszenzfarbstoffe an verschiedenen Stellen am Protein gebunden wurden. In einem zweiten Beispiel wurde das bakterielle Hüllprotein von A12 mit einem Aptamer modifiziert. Aptamere sind kurze einzelsträngige Oligonukleotide, die u.a. mittels ihrer ausgebildeten 3D-Struktur spezifisch Zielstrukturen reversibel binden können. Die hier verwendeten Aptamere binden spezifisch Thrombin und Kanamycin. Die Aptamere wurden mit Hilfe einer der beiden Vernetzer PMPI oder Sulfo-SMCC an die bakteriellen Hüllproteine kovalent gebunden. Nach dem Modifizieren der Proteine wurden diese auf entsprechenden Sensorchips immobilisiert und die Aktivität des gekoppelten Aptamers mittels Affinitätsmessungen, SPR-Spektroskopie und QCM-D-Messungen analysiert. Die Funktion des gebundenen Thrombinaptamers konnte mittels Affinitätsmessungen und QCM-D nachgewiesen werden und entspricht in beiden Fällen einer Bindung von 2 nmol Thrombin pro Quadratzentimeter. Die Funktionalität des Kanamycinaptamers sollte mittels SPR bestimmt werden, jedoch konnte keine Funktionalität des gekoppelten Kanamycinaptamers nachgewiesen werden. Alle Messungen bestätigten jedoch, dass die Bindungsmatrix aus bakteriellen Hüllproteinen keinerlei oder nur ein sehr geringes Hintergrundsignal liefert. Werden nun beide Komponenten, FRET-Paar und Aptamere, an das Protein gebunden, ist es möglich, eine sensorische Schicht zu erzeugen. Die Zielstruktur, welche detektiert werden soll, wird an das Aptamer gebunden und so in räumliche Nähe zur Sensorfläche gebracht. Stell die Zielstruktur einen Fluoreszenzlöscher dar, so wird der Energietransfer durch die räumliche Nähe des Fluoreszenzlöscher gestört. Die Detektion des Zielmoleküls erfolgt nun über die Änderung von Fluoreszenzintensitäten. Die hier vorgelegte Arbeit soll einen Grundstein legen für die Entwicklung eines solchen Sensors und insbesondere die Detektion eines Energietransfers optimieren und Schwachstellen in der Detektion nachweisen. Die systematische Untersuchung der Fluoreszenzfarbstoffe auf dem Protein ermöglichen es, in zukünftigen Arbeiten einen FRET zweifelsfrei zu detektieren. Die Modifizierung von bakteriellen Hüllproteinen von A12 mit Aptameren und die Detektion der Funktionalität der Aptamere mittels verschiedener Methoden zeigte auf, dass die bakteriellen Hüllproteine als universelle Bindungsmatrix für sensorische Moleküle dienen können, bei denen Affinitätsmessungen, SPR- oder QCM-D-Messungen genutzt werden. Besonders hervorzuheben ist, dass bakterielle Hüllproteine nahezu kein Hintergrundsignal liefern und aufgrund ihrer dünnen Monolage von etwa 6 - 9 nm die Sensitivität der Messungen nur gering beeinträchtigen.