Prédiction de structure tridimensionnelle de molécules d’ARN par minimisation de regret

Prediction of three-dimensional structure of RNA molecules by regret minimization

• Auteur / Autrice : Mélanie Boudard
• Direction : Johanne Cohen, Alain Denise, Dominique Barth
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 29/04/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Données et algorithmes pour une ville intelligente et durable (Versailles ; 2015-...) - Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020) - Laboratoire de recherche en informatique
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Carbone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Guérois, Stefano Moretti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christoph Dürr, Jérôme Waldispühl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines -- Repliement

Modélisation tridimensionnelle

Théorie des jeux

Modèles mathématiques

ARN

Mots clés libres

Arn

Structure 3D

Théorie des jeux

Minimisation de regret

Potentiel statistique

Discrétisation de l'espace

Rna

3D structure

Game theory

Regret minimization

Statistical potential

Discrete space

Résumé

Les fonctions d'une molécule d'ARN dans les processus cellulaires sont très étroitement liées à sa structure tridimensionnelle. Il est donc essentiel de pouvoir prédire cette structure pour étudier sa fonction. Le repliement de l'ARN peut être vu comme un processus en deux étapes : le repliement en structure secondaire, grâce à des interactions fortes, puis le repliement en structure tridimensionnelle par des interactions tertiaires. Prédire la structure secondaire a donné lieu à de nombreuses avancées depuis plus de trente ans. Toutefois, la prédiction de la structure tridimensionnelle est un problème bien plus difficile. Nous nous intéressons ici au problème de prédiction de la structure 3D d'ARN sous la forme d'un jeu. Nous représentons la structure secondaire de l'ARN comme un graphe : cela correspond à une modélisation à gros grain de cette structure. Cette modélisation permet de réaliser un jeu de repliement dans l'espace. Notre hypothèse consiste à voir la structure 3D comme un équilibre en théorie des jeux. Pour atteindre cet équilibre, nous utiliserons des algorithmes de minimisation de regret. Nous étudierons aussi différentes formalisations du jeu, basées sur des statistiques biologiques. L'objectif de ce travail est de développer une méthode de repliement d'ARN fonctionnant sur tous les types de molécule d'ARN et obtenant des structures similaires aux molécules réelles. Notre méthode, nommée GARN, a atteint les objectifs attendus et nous a permis d'approfondir l'impact de certains paramètres pour la prédiction de structure à gros grain des molécules.

The functions of RNA molecules in cellular processes are related very closely to its three dimensional structure. It is thus essential to predict the structure for understanding RNA functions. This folding can be seen as a two-step process: the formation of a secondary structure and the formation of three-dimensional structure. This first step is the results of strong interactions between nucleotides, and the second one is obtain by the tertiary interactions. Predicting the secondary structure is well-known and results in numerous advances since thirty years. However, predicting the three-dimensional structure is a more difficult problem due to the high number of possibility. To overcome this problem, we decided to see the folding of the RNA structure as a game. The secondary structure of the RNA is represented as a graph: its corresponds to a coarse-grained modeling of this structure. This modeling allows us to fold the RNA molecule in a discrete space. Our hypothesis is to understand the 3D structure like an equilibrium in game theory. To find this equilibrium, we will use regret minimization algorithms. We also study different formalizations of the game, based on biological statistics. The objective of this work is to develop a method of RNA folding which will work on all types of secondary structures and results more accurate than current approaches. Our method, called GARN, reached the expected objectives and allowed us to deepen the interesting factors for coarse-grained structure prediction on molecules.