Eine phylogenetische Definition von Struktur Was ist eine Struktur? Die vorliegende Doktorarbeit stellt diese Frage im Feld der RNA-Molekularbiologie. Ziel ist es, einen Beitrag zum Verständnis der eng miteinander verwobenen Beziehungen zwischen Struktur, Substitutionsprozess und Evolutionsgeschichte zu leisten. Die Darlegung beginnt mit einer Einführung in zwei Felder: RNA & Phylogenie, anschließend folgt die wissenschaftliche Analyse. SISSI’s Simulacrum ist ein Konzept für SImulating Site Specific Interactions, in dem erstmalig Sequenzevolution sowohl entlang der Äste phylogenetischer Evolutionsbäume als auch in ihren strukturellen Abhängigkeiten bei Verwendung arbiträrer, komplexer Modelle der Sequenzevolution imitiert wird. Daraus resultiert: Eine phylogenetischen Definition von Struktur, bestehend aus den drei folgenden Aspekten: Substitutionsmatrix, Nachbarschaftssystem und phylogenetischer Baum. Die Substitutionsmatrix spezifiziert den evolutionären Prozess der Nukleotidevolution und wird durch das Nachbarschaftssystem beeinflusst, das die Interaktion zwischen den Seiten innerhalb einer Sequenz bestimmt. Der phylogenetische Baum führt ein weiteres Abhängigkeitsmuster ein. In diesem Kapitel werden die grundlegenden Paradigmen einer Phylogenetischen Struktur (PS) mittels Beispielen illustriert. Daran anschließend werden einzelne Ansätze zur Erfassung einer PS aufgezeigt, wobei jedem der drei Aspekte der PS jeweils ein Kapitel gewidmet wird. MATA’s Nachbarschaftssystem wird der Konsensusstrukturvorhersage eines Alignments gegenüber gestellt. MATA (Measurement of Accurat Thresholds of Alignments) ermöglicht die Vorhersage funktional verknüpfter Korrelationen eines Sequenz Alignments mittels einer parametrischen Bootstrap Methode, sowohl unter Berücksichtigung phylogenetischer Aspekte als auch in Bezug auf einen automatisch ermittelten Schwellenwert. SISSIz’s Substitutionsmodell wird im Feld nicht-kodierender RNAs veranschaulicht. SISSIz kombiniert ein neues Null-Modell, ein komplexes Substitutionsmodell unter SISSI, mit dem konsensusbasierten Faltungsalgorithmus und produziert mittels thermodynamischer Strukturvorhersage und unter Berücksichtigung der Dinukleotidzusammensetzung eine neue Variante eines RNA Gene finders. OSM’s Phylogenetischer Baum führt einen weiteren Gesichtspunkt der Sequenzevolution ein. Die One Step Mutation Matrix kodiert den phylogenetischen Baum direkt und führt zur analytischen Formel für die Posterior-Wahrscheinlichkeitsverteilung bezüglich der Anzahl der Substitutionen pro Alignmentspalte. Wurde bisher der evolutionäre Prozeß der Nukleotidevolution anhand der phylogenetischen Strukturdefinition mit seitenspezifischen Interaktionen spezifiziert, wird nun die phylogenetische Strukturdefinition als eine Beschreibungsform im Raum der Muster diskutiert. Im Ausblick wird die (Un)vollständigkeit der phylogenetischen Strukturdefinition dargelegt. Dennoch sind die drei aufgezeigten Methoden, einschließlich SISSI, eine viel versprechende Möglichkeit, die drei Aspekte einer PS zu verbinden. Die vorliegende Arbeit reflektiert abschließend die Kom- bination aller drei Aspekte zu einer möglichen Beschreibung von Strukturevolution und führt zur Ausgangsfrage zurück: Was ist eine Struktur?

A Phylogenetic Definition of Structure What is a structure ? The present thesis poses this question in the field of RNA molecular biology. While doing so, the aim is to contribute to the understanding of the intertwined relationship between structure, substitution process and evolutionary history. The thesis starts with an introduction into two fields: RNA & phylogeny , followed by the research chapters. SISSI’s Simulacrum, a framework for SImulating Site-Specific Interactions along phylogenetic trees, mimics sequence evolution under structural constraints in a unifying framework including arbitrary complex models of sequence evolution. This feeds into: A Phylogenetic Definition of Structure, which consists of three aspects: The substitution matrix, a neighbourhood system and the phylogenetic tree. The substitution matrix specifies the evolutionary process of nucleotide evolution. However, the matrix is influenced by the neighbourhood system that defines the interactions among sites in a sequence. The phylogenetic tree introduces an additional dependency pattern in the observed sequences. In this chapter the general ideas of a Phylogenetic Structure (PS) are illustrated with examples. Consequently, this thesis focusses on particular approaches, devoting one chapter to each of the three aspects of a PS. MATA’s Neighbourhood System Aspect is considered in the context of so-called consensus structure from an alignment. Using the parametric bootstrap, MATA, Measurement of Accurate Thresholds of Alignments, enables the detection of functionally associated correlations from a sequence alignment incorporating the phylogeny of the sequences combined with an automatic threshold procedure. SISSIz’s Substitution Model Aspect is illustrated in the field of non-coding RNAs. We build up the SISSI framework to directly combine a new null model, based on a complex substitution model, with a consensus folding algorithm resulting in a new variant of a thermodynamic structure-based RNA gene finding program that is not biased by the dinucleotide content. OSM ’s Phylogenetic Tree Aspect introduces another view on sequence evolution. The One Step Mutation Matrix encodes the phylogenetic tree directly and leads to analytical formulae for the posterior probability distribution of the number of substitutions for an alignment column. So far, our phylogenetic definition of structure has specified the evolutionary process of nucleotide evolution with site-specific interactions. Here, the definition is discussed as a description in pattern space. The outlook discuss the (in)completness of a phylogenetic definition of structure. However, the three approaches to each aspect including SISSI provide a very promising possibility to unite all three aspects of a PS together. Finally, the thesis concludes with a description of combining these methods towards structure evolution, which revers back to the original question: What is a structure?